Quantum Field Theory of Particles with Braid Group Statistics in 2+1 Dimenions

Abstract

The present thesis is concerned with the local quantum physics of relativistic particles and fields in three space-time dimensions, whose statistics is to be described by a representation of the braid group -- so-called plektons or, if the representation is Abelian, anyons.

In particular the issue of the existence of free anyonic fields is addressed. In our context, these are operators affiliated with the `local´ field algebras and creating only single particle vectors from the vacuum. (Localizability here refers to regions extending to infinity in some spacelike direction.) Under a mild regularity condition for these fields, we can derive commutation relations which are not compatible with braid group statistics.

Further, model-independent results concerning the PCT operator and the connection of spin and statistics are obtained. Assuming the observable algebra to satisfy the Bisognano-Wichmann theorem, a PCT theorem for plektons is derived. For anyons it is shown that the Bisognano-Wichmann property of the observable algebra lifts, in a `twisted´ version, to the field algebra. In particular, the PCT-operator coincides, up to a `twist operator´, with the modular conjugation of the field algebra associated to a standard wedge region. From this fact, the spin-statistics theorem for anyons is derived.

The structure of the Hilbert space of scattering states of plektons and anyons is further clarified. It is known to be fixed by the relevant representations of the braid group and by the rules which determine the charges contained in the scattering states (the `fusion´ rules). We present Møller operators W+ and W- from the spaces of outgoing and incoming scattering states into a reference Hilbert space, which translate the physical ray representation of the Poincaré group on the spaces of scattering states into a canonical ray representation on the reference Hilbert space. A new result concerns the `incoming free PCT operator´, i.e. the product of the PCT operator with the S-matrix S = ( W+)* W- : It is exhibited how this model-independent operator acts in the reference Hilbert space.

In the case of anyons, the fusion rules are trivial and the relevant representations of the braid group are classified by a finite set of complex numbers, namely the statistics parameters of the particles under consideration. Hence in the anyonic case the above results yield explicit formulae for the ray representation of the Poincaré group and for the incoming free PCT-operator. In view of the Bisognano-Wichmann property, we have thereby constructed the product of the Tomita operator associated to any given wedge region with the S-matrix, i.e. the `incoming free´ Tomita-operator of the anyonic field algebra.

Die vorliegende Arbeit befaßt sich im Rahmen der lokalen Quantenphysik mit relativistischen Teilchen und Feldern in drei Raumzeit-Dimensionen, deren Statistik durch eine Darstellung der Zopfgruppe zu beschreiben ist - sogenannten Plektonen bzw., falls die Darstellung Abelsch ist, Anyonen.

Insbesondere wurde die Frage nach der Existenz von freien anyonischen Feldern untersucht. In unserem Zusammenhang sollen hierunter Operatoren verstanden werden, die mit den `lokalen´ Feldalgebren affiliiert sind und nur Einteilchenvektoren aus dem Vakuum erzeugen. (Lokalisierbarkeit bezieht sich hier auf Gebiete, die sich entlang eines raumartigen Weges ins Unendliche erstrecken.) Unter einer schwachen Regularitätsbedingung an die Felder konnten dann Vertauschungsrelationen hergeleitet werden, die sich nicht mit der Zopfgruppenstatistik vertragen.

Desweiteren wurden modellunabhängige Aussagen bezüglich des PCT-Operators und des Zusammenhangs von Spin und Statistik erhalten. Unter der Annahme, daß die Observablenalgebra das Bisognano-Wichmann-Theorem erfüllt, wurde ein `PCT´-Theorem für Plektonen hergeleitet. (Die PCT-Transformation beinhaltet in drei Dimensionen eine räumliche Spiegelung (P) nur an der x2-Achse.) Für Anyonen wird gezeigt, daß sich die Bisognano-Wichmann-Eigenschaft sogar, in `getwisteter´ Form, auf die Feldalgebra übertägt. Insbesondere stimmt der PCT- Operator bis auf einen Twistoperator mit der modularen Konjugation der Feldalgebra zu einem Standard-Keilgebiet überein. Hieraus konnte das Spin- Statistik-Theorem für Anyonen hergeleitet werden.

Ferner wurde zur Klärung der Struktur des Hilbertraums der Streuzustände von Plektonen und Anyonen beigetragen. Diese ist bekannterweise fixiert durch die relevanten Darstellungen der Zopfgruppe und durch die Fusionsregeln, nach denen die von den Streuzuständen getragenen Ladungen bestimmt sind. Es wurden Mølleroperatoren W+ und W- vom Raum der aus- und der einlaufenden Streuzustände in einen Referenz-Hilbertraum angegeben, welche die physikalische Strahldarstellung der Poincarégruppe auf den Streuzustandsräumen in eine kanonische Strahldarstellung im Referenz-Hilbertraum übersetzen. Ein neues Ergebnis betrifft den `einlaufenden freien PCT-Operator´, d.h. das Produkt des PCT-Operators mit der S-Matrix S = ( W+)* W- : Auch der hierzu via W- äquivalente Konjugationsoperator im Referenz-Hilbertraum konnte angegeben werden.

Im Falle von Anyonen sind die Fusionsregeln trivial und die relevanten Darstellungen der Zopfgruppe sind einfach durch einen Satz von komplexen (`Statistik´-) Phasen charakterisiert. Daher lieferten uns in diesem Fall die obigen Ergebnisse explizite Formeln für die Strahldarstellung der Poincarégruppe und den einlaufenden freien PCT-Operator. In Anbetracht der Bisognano-Wichmann-Eigenschaft haben wir hiermit insbesondere zu jedem Keilgebiet das Produkt des Tomita-Operators mit der S-Matrix bestimmt, also den `einlaufenden freien´ Tomita-Operator der anyonischen Feldalgebra.