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質量ゼロ極限での一致

2026年10月15日2分で読めますAI生成教科書『基礎理論』第4部 第6章 カイラリティとヘリシティ

AI 生成・木下が未勉強

場の量子論入門 第4部 第6章 §4.6.3 ★★ 核心:カイラリティとヘリシティが同じものになる

質量ゼロの正振動数解では、カイラリティ演算子 γ5\gamma^5 とヘリシティ演算子Σ⋅p^\bm{\Sigma}\cdot\hat{\bm{p}} が同じ働きをする。

命題 (質量ゼロでのカイラリティとヘリシティ ★★)

m=0m=0 で p̸ u(p)=0\not{p}\,u(p)=0(p0=∣p∣p^0=|\bm{p}|)を満たすスピノルについて

γ5 u(p)=(Σ⋅p^)u(p).\gamma^5\,u(p)=\bigl(\bm{\Sigma}\cdot\hat{\bm{p}}\bigr)u(p).

証明

まず Σk=γ5γ0γk\Sigma^k=\gamma^5\gamma^0\gamma^k と書けることを使う(Dirac 表示でγ5γ0=(0−110)\gamma^5\gamma^0=\left(\begin{smallmatrix}0&-\bm{1}\\ \bm{1}&0\end{smallmatrix}\right) にγk\gamma^k を掛けるとブロック対角の diag(σk,σk)\mathrm{diag}(\sigma^k,\sigma^k) になる)。次に m=0m=0 の方程式 p̸u=0\not{p}u=0 は p0γ0u=pkγkup^0\gamma^0u=p^k\gamma^ku を意味し、p0=∣p∣p^0=|\bm{p}| で割ると γ0u=(γ⋅p^)u\gamma^0u=(\bm{\gamma}\cdot\hat{\bm{p}})u となる。したがって

(Σ⋅p^)u=γ5γ0(γ⋅p^)u=γ5γ0γ0u=γ5u\bigl(\bm{\Sigma}\cdot\hat{\bm{p}}\bigr)u=\gamma^5\gamma^0\bigl(\bm{\gamma}\cdot\hat{\bm{p}}\bigr)u =\gamma^5\gamma^0\gamma^0u=\gamma^5u

((γ0)2=1(\gamma^0)^2=1)。

つまり質量ゼロの粒子では、γ5=−1\gamma^5=-1 の左巻きカイラリティ状態はヘリシティ −1/2-1/2(スピンが運動方向と逆)をもち、γ5=+1\gamma^5=+1 はヘリシティ +1/2+1/2 をもつ。§2.5 の例題で見た u→p(1,0,1,0)Tu\to\sqrt{p}(1,0,1,0)^{\mathrm{T}} が γ5\gamma^5 の固有値 +1+1 をもったのは、この命題の具体例である。反粒子では符号が逆になる(vv スピノルの物理的なスピンがラベルと逆向きだから。§2.1 の補足)ので、「左巻きカイラリティの場は、左ヘリシティの粒子を消し、右ヘリシティの反粒子を生成する」という形で述べるのが正確である。標準模型で「弱い相互作用は左巻き粒子と右巻き反粒子だけに作用する」と言うときは、この意味で使っている。質量が有限なら両者は一致しないが、ずれの大きさは m/Em/E の程度なので、E≫mE\gg m では同一視してよい。

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