Loading [MathJax]/jax/output/HTML-CSS/jax.js

数学物理学报, 2020, 40(5): 1132-1141 doi:

论文

新的(2+1)维超对称可积方程

陈芳1,2, 孙泽宇1, 陈敏茹3, 颜昭雯,1

The Novel (2+1)-Dimensional Supersymmetric Integrable Equations

Chen Fang1,2, Sun Zeyu1, Chen Minru3, Yan Zhaowen,1

通讯作者: 颜昭雯, E-mail: yanzw@imu.edu.cn

收稿日期: 2019-06-12  

基金资助: 国家自然科学基金.  11965014
国家自然科学基金.  11605096
国家自然科学基金.  11505046
内蒙古大学自治区级大学生创新创业训练项目.  201910126062

Received: 2019-06-12  

Fund supported: the NSFC.  11965014
the NSFC.  11605096
the NSFC.  11505046
the Autonomous Region forUndergraduate Innovation Training Program for Inner Mongolia University .  201910126062

摘要

该文基于超李代数osp(2/2),利用两种方法构造了新的(2+1)维超对称可积方程.一种方法是利用超李代数的齐性空间,另一种是增加系统维数的方法.此外,该文还导出了(2+1)维超对称可积方程的贝克隆变换.

关键词: 超对称可积方程 ; 超李代数 ; 贝克隆变换

Abstract

Base on the super Lie algebra osp(2/2), we construct the (2+1)-dimensional supersymmetric integrable equations by means of two approaches. One of the technique is in terms of homogeneous spaces of super-Lie algebra, and in the other one, extending the dimension of the system has been used. Moreover, we derive the Bäcklund transformations for the (2+1)-dimensional supersymmetric integrable equations.

Keywords: Supersymmetric integrable equations ; Super Lie algebra ; Bäcklund transformations

PDF (294KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

陈芳, 孙泽宇, 陈敏茹, 颜昭雯. 新的(2+1)维超对称可积方程. 数学物理学报[J], 2020, 40(5): 1132-1141 doi:

Chen Fang, Sun Zeyu, Chen Minru, Yan Zhaowen. The Novel (2+1)-Dimensional Supersymmetric Integrable Equations. Acta Mathematica Scientia[J], 2020, 40(5): 1132-1141 doi:

1 引言

由于超对称可积系统与超弦理论[1-2]、超对称Yang-Mills理论[3]以及超对称规范理论[4]具有紧密联系,超对称可积系统在数学和理论物理领域引起了广泛关注.目前(1+1)维超对称可积系统的结构和可积性质已经被广泛研究,参见文献[5-12].标准理论中的众多方法已推广到超对称可积系统中,如贝克隆变换[14]、Painlevé测试[15]τ函数[16]、达布变换[17]、Hirota双线性方法[18]和延拓结构理论等[19].然而,对高维超对称可积系统的研究并不多,因此众多学者对高维超对称可积方程进行了研究. Saha和Chowhury[20]提出了构造(2+1)维超对称可积系统的理论.有学者[21]通过引入一般的辅助矩阵变量,构造了(2+1)维可积超对称海森堡铁磁链(HS)模型,进一步推出高维HS模型规范等价于超对称非线性薛定谔方程(NLSE).为了建立超对称可积系统,程等人[22]提出了费米协变延拓结构理论,该理论被颜等人[23]推广.费米协变延拓结构理论可以推导出(2+1)维超对称非线性演化方程的延拓结构, Lax表示和贝克隆变换.

超李代数在构造超对称可积系统中具有重要作用[24-25].由于超代数在弦理论[26]和对数共形场理论[27]中具有重要应用,因此众多学者对超代数进行了广泛研究,例如关于超李代数osp(2n/2n)的随机伊辛模型[28].最近,通过利用齐性空间和增加维数的方法,有学者构造了基于超李代数osp(3/2)的(2+1)维超对称可积方程[29-30].

该文讨论了新的超对称可积系统的构造,并对其结构和可积性进行了研究.该文将利用超李代数的齐性空间和拓展系统维数的方法,构造基于超李代数osp(2/2)的新的超对称可积方程.

2 第一种方法

经典的超李代数osp(2/2)的矩阵生成元为[9]

(a0xx10ayy1y1x1deyxfd),
(2.1)

其中(˜a,˜d,˜e,˜f)(˜x,˜y,˜x1,˜y1)分别是超李代数osp(2/2)的玻色生成元和费米生成元. ˜w表示w对应的位置为1,其他位置为0的矩阵.

定义超李括号[9]

[X,Y]=XY(1)P(X)P(Y)YX,
(2.2)

其中P(X)P(Y)是生成元XY的宇称.

将超李代数osp(2/2)分解为

g=km.
(2.3)

k,m满足如下关系

[k,k]k,  [k,m]m,  [m,m]k,
(2.4)

其中

k={˜a,˜d,˜e,˜f},m={˜x,˜y,˜x1,˜y1}.
(2.5)

将超李代数osp(2/2)的费米、玻色生成元带入超李括号(2.2),可得其(反)交换关系.

考虑谱问题

ϕx=[λA+Q(x,y,t)]ϕ,ϕt=λn1ϕy+n2i=0Bni(x,y,t)λiϕ,
(2.6)

其中λ是谱参数.常数矩阵A属于gCartan子代数, Q(x,y,t)mBni(x,y,t)g.利用(2.6)式的可积性条件并比较λμ(μ=0,,n)的系数可得

yQ=[A,B2],xBni=[A,Bni+1]+[Q,Bni],tQ=xBn[Q,Bn],
(2.7)

其中i=1,,n2.

考虑(2.7)式中n=2的情形并假设A=˜a,B2=Bk2+Bm2,其中Bk2k,Bm2m,可得如下方程

yQ=[A,Bm2],
(2.8)

xBk2=[Q,Bm2],
(2.9)

tQ=xBm2[Q,Bk2],
(2.10)

其中Bm2mBk2k.

根据方程(2.5),假设

Q=q1˜x+q2~x1+q3˜y+q4~y1,
(2.11)

Bm2=s1˜x+s2~x1+s3˜y+s4~y1,
(2.12)

Bk2=M1˜a+M2˜d+M3˜e+M4˜f.
(2.13)

将(2.11)和(2.12)式代入(2.8)式,可得Bm2

Bm2=q1y˜x+q2y~x1q3y˜yq4y~y1.
(2.14)

将(2.12)和(2.13)式代入(2.9)式,可得

M1=1x(q4q1yq3q2y+q2q3yq1q4y),M2=1x(q4q1y+q3q2yq2q3yq1q4y),M3=1x(2q4q2y2q2q4y),M4=1x(2q1q3y2q3q1y).
(2.15)

Bk2Bm2代入(2.10)式,可得

q1t=q1xy+q1M1q1M2q2M4,q2t=q2xy+q2M1+q2M2q1M3,q3t=q3xyq3M1q3M2q4M4,q4t=q4xyq4M1+q4M2q3M3.
(2.16)

下面放松km的约束条件.假设km满足如下关系

[k,k]k,  [k,m]m,  [m,m]k    m,
(2.17)

其中

k={˜a,˜d},m={˜e,˜f,˜x,˜y,~x1,~y1}.
(2.18)

考虑(2.7)式中n=2的情形并假设A=˜d,Bn=Bkn+Bmn,则由(2.7)式可得

yQ=[A,Bm2],
(2.19)

xBk2=[Q,Bm2]k,
(2.20)

tQ=xBm2[Q,Bk2][Q,Bm2]m,
(2.21)

其中Bm2m, Bk2k, [,]k表示生成元在子空间k中的投影.利用性质(2.18),假设

Q=q1˜e+q2˜f+q3˜x+q4~x1+q5˜y+q6~y1,
(2.22)

Bm2=s1˜e+s2˜f+s3˜x+s4~x1+s5˜y+s6~y1,
(2.23)

Bk2=M1˜a+M2˜d.
(2.24)

将(2.22)和(2.23)式代入(2.19)式,可得

s1=12q1y,  s2=12q2y,  s3=q3y,s4=q4y,   s5=q5y,   s6=q6y,
(2.25)

其中q1,q2是费米变量, qi (i=3,,6)是玻色变量.将(2.23)和(2.24)式代入(2.20)式,可得

M1=1x(q3q6yq6q3y+q4q5yq5q4y),M2=1x[q3q6yq6q3y+q5q4yq4q5y12(q1q2y+q2q1y)].
(2.26)

Bk2Bm2的表达式代入(2.21)式,可得(2+1)维超对称可积方程

q1t=12q1xy+2q1M22q4q6y2q6q4y,q2t=12q2xy2q2M22q3q5y2q5q3y,q3t=q3xy+q3M1q3M2+q2q4y+12q4q2y,q4t=q4xy+q4M1+q4M2q1q3y12q3q1y,q5t=q5xyq5M1q5M2+q2q6y+12q6q2y,q6t=q6xy+q6M2q6M1q1q5y12q5q1y.
(2.27)

3 第二种方法

接下来考虑用扩展系统维数的方法来构造(2+1)维超对称可积演化方程.该部分将利用与谱参数无关的二维Lax算子.

首先考虑Lax算子

K1(Q)=x+H1y+Q,
(3.1)

K2(Q)=it+H12y+Ay+B.
(3.2)

根据可积性条件

[K1,K2]η=0,
(3.3)

利用Ψ,yΨ,2yΨ前的系数为0,可得

A=Q,
(3.4)

xQH1yQ+[H1,B]=0,
(3.5)

xB+H1yB+[Q,B]itQH12yQAyQ=0.
(3.6)

假设B=(Bij),(i,j=1,,4),将矩阵B分解为两部分B=B1+B2,其中B1Bij(i,j=1,,2,i=j=3,i=j=4)为非零元素,其它元素为0构成的矩阵.将H1=d和(2.22)式代入(3.5)式,可得B2有如下形式

B13=q3x,    B14=q4x,   B23=q5x,   B24=q6x,   B31=q6x+q6y,B32=q4x+q4y,  B34=12(q1yq1x),  B41=q5xq5y,B42=q3xq3y,  B43=12(q2x+q2y).
(3.7)

根据方程(3.7),可从(3.6)式得到如下方程

B11=B22=q3q6+q4q5,  B12=2q3q4,  B21=2q5q6,B33=(x+y)1(xy)(q3q6+q4q5+12q1q2),B44=(xy)1(x+y)(q3q6+q4q512q1q2).
(3.8)

将(3.7)和(3.8)式代入(3.6)式,可得如下新的超对称非线性演化方程

iq1t=q1yy(x+y)(q4q6)+q1B44,iq2t=q2yy+2y(q3q5)+q2B33q2B44,iq3t=q3yy+(3q4q5+q3q6)q3+q4xq2+12(q2x+q2y)q4q3B44,iq4t=q4yy+(3q3q6+q4q5)q4q3xq1+12(q1yq1x)q3q4B33,iq5t=q5yy+(3q3q6+q4q5)q5+q6xq2+12(q2x+q2y)q6q5B44,iq6t=q6yy+(3q4q5+q3q6)q6q5xq1+12(q1yq1x)q5q6B33.
(3.9)

4 贝克隆变换

贝克隆变换是研究方程解的有效工具.贝克隆变换建立了偏微分方程的解之间的关联.

首先推导超对称可积方程(2.16)的贝克隆变换.假设QQ是非线性系统的两组解

ηx=[λA+Q]η,ηx=[λA+Q]η.
(4.1)

通过达布变换η=Dη并假设D=D0+λD1,可由(4.1)式推出

D1=A=˜a,
(4.2)

D1x=[A,D0]+QAAQ,
(4.3)

D0x=QD0D0Q,
(4.4)

根据(4.2)和(4.3)式,可得D0的非对角部分

Doff0=(00q1q200q3q4q4q200q3q100).
(4.5)

同时由方程(4.4)推出D0的对角部分为

Ddiag0=(ω0000η0000α0000β),
(4.6)

其中α,β为常数,且

ω=1x(q1q4q1q4+q2q3q2q3),η=1x(q1q4+q1q4q2q3+q2q3).
(4.7)

D0=Ddiag0+Doff0代入(4.4)式,可得(2.16)式的贝克隆变换为

q1x=ηq1βq1,q2x=ηq2αq2,q3x=ωq3βq3,q4x=ωq4αq4,q1x=αq1ωq1,q2x=βq2ωq2,q3x=αq3ηq3,q4x=βq4ηq4.
(4.8)

接下来该文将构造超对称可积系统(2.27)的贝克隆变换.根据达布变换η=Dη并假设D=D0+λD1,方程(4.1)可推出

D1=A=d,
(4.9)

D1x=[A,D0]+QAAQ,
(4.10)

D0x=QD0D0Q,
(4.11)

其中QQ

Q=(00q3q400q5q6q6q40q1q5q3q20),    Q=(00q3q400q4q6q6q40q1q5q3q20).
(4.12)

为得到贝克隆变换,假设D0=(Dij),(i,j=1,,4).通过与矩阵B类似的分解,矩阵D0分解为D0=D10+D20.将(4.9)和(4.12)式代入(4.10)式,可得D20中的元素为

D13=q3,  D14=q4,  D23=q5,  D24=q6, D31=q6,  D32=q4,  D34=12(q1+q1), D41=q5,  D42=q3,  D43=12(q2+q2).
(4.13)

由(4.11)式可推出

(D10)x=Q(D10+D20)(D10+D20)Q.
(4.14)

将(4.9)和(4.12)式代入(4.10)式,可得D10中的元素为

D11=α11,  D12=α12,D21=α21,  D22=α22,D33=1x(F36+F45+12F12),D44=1x(F36+F4512F12),
(4.15)

其中

Fmn=qmqnqmqn.
(4.16)

根据(4.13)和(4.15)式,可推出D0=D10+D20的具体表达式.由(4.11)式和D0,可得(2.27)式的贝克隆变换.

q3x=12q4(q2q2)D11q3D12q5+q3D33,q4x=12q3(q1+q1)D11q4D12q6q1q3+q4D44,q5x=12q6(q2+q2)D21q3D22q5q2q6+q5D33,q6x=12q5(q1+q1)D21q4D22q6q1q5+q6D44,q3x=12(q2q2)q4+q5D12+q3D22q3D44,q4x=12(q1+q1)q3+q6D12+q4D22q4D33q3q1,q5x=12(q2q2)q6+q5D11+q3D21+q5D44,q6x=12(q1+q1)q5+q6D11+q4D21q6D33q5q1,12(q1x+q1x)=2q4q62q4q6q1D33+q1D44,12(q2x+q2x)=2q3q5+2q3q5+q2D33q2D44.
(4.17)

下面将推导方程(3.9)的贝克隆变换.假设Lax算子为

K1(Q)=x+H1y+Q,K1(Q)=x+H1y+Q,
(4.18)

其中QQ为(4.12)式,且有

K2(Q)=t+H12y+Ay+B,K2(Q)=t+H12y+Ay+B,
(4.19)

同时有如下关系

[K1,K2]η=0,  [K1,K2]η=0,
(4.20)

其中ηη分别为初始和终极Lax对的特征函数.

引入规范变换

η=D(Q,Q)η.
(4.21)

由此可得

K1(Q)D(Q,Q)D(Q,Q)K1(Q)=0,K2(Q)D(Q,Q)D(Q,Q)K2(Q)=0.
(4.22)

假设(4.22)式中D(Q,Q)=ρy+D0(Q,Q),且满足

H1ρ=ρH1,
(4.23)

[H1,D0]+QρρQ=0,
(4.24)

xD0+H1yD0+QD0ρyQD0Q=0.
(4.25)

H1=˜d.由(4.23)式,设ρ=diag(ρ1,ρ2,ρ3,ρ4),其中ρi,(i=1,,4)为常数.由方程(4.24)推出D20中的元素为

D13=ρ3q3ρ1q3,  D14=ρ1q4ρ4q4,  D23=ρ3q5ρ2q5,D24=ρ2q6ρ4q6,  D31=ρ3q6ρ1q6,  D32=ρ3q4ρ2q4,D34=12(ρ4q1ρ3q1),  D41=ρ4q5ρ1q5,D42=ρ4q3ρ2q3,  D43=12(ρ3q2ρ4q2).
(4.26)

由方程(4.25),可得D10中的元素为

D11=1x[ρ1(q3q6+q4q5+q4q5q3q6)+2ρ3q3q62ρ4q4q5],D12=1x[2ρ2q3q42ρ1q3q4],D21=1x[2ρ1q5q62ρ4q5q6],D22=1x[ρ2(q3q6+q4q5q4q5+q3q6)2ρ4q3q6],D33=(x+y)1[ρ3(q3q6+q4q5q3q6q4q5+12q1q212q1q2)],D44=(xy)1[ρ4(q3q6+q4q5q3q6q4q5+12q1q212q1q2)].
(4.27)

根据D0=D10+D20,可得D0具体表达式.将D0代入(4.25)式即可得到方程(3.9)的贝克隆变换

D13x+q3D33+q4D43D11q3D12q5D14q2ρ1q3y=0,D14x+q3D34+q4D44D11q4D12q6D13q1ρ1q4y=0,D23x+q5D33+q6D43D21q3D22q5D24q2ρ2q5y=0,D24x+q5D34+q6D44D21q4D22q6D23q1ρ2q6y=0,(x+y)D31+q6D11+q4D21+q1D41q6D33+q5D34ρ3q6y=0,(x+y)D32+q6D12+q4D22+q1D42q4D33+q3D34ρ3q4y=0,(x+y)D34+q6D14+q4D24+q1D44q4D31q6D32q1D33ρ3q1y=0,(xy)D41q5D11q3D21+q2D31q6D43+q5D44+ρ4q5y=0,(xy)D42q5D12q3D22+q2D32q4D43+q3D44+ρ4q3y=0,(xy)D43q5D13q3D23+q2D33q3D41q5D42q2D44ρ4q2y=0.
(4.28)

5 总结

该文基于超李代数ops(2/2)构造了新的(2+1)维超对称可积非线性演化方程.该文分别利用齐性空间以及扩展系统维数两种方法,构造了新的(2+1)维超对称系统.进一步给出了这些高维可积方程的贝克隆变换.超对称可积系统和超李代数在物理方面引起了广泛的关注.对于该文所提出的多个高维超对称可积方程在物理中的应用,值得在后续工作中进一步研究.

参考文献

Alvarez-Gaumé L , Itoyama H , Mañes J L , Zadra A .

Superloop equations and two-dimensional supergravity

Int J Mod Phys A, 1992, 7, 5337- 5367

DOI:10.1142/S0217751X92002441      [本文引用: 1]

Wulff L .

Integrability of the superstring in AdSSST3

J Phys A, 2017, 50, 23L

[本文引用: 1]

Grabner D , Gromov N , Kazakov V , Korchemsky G .

Strongly Gamma-deformed N=4 supersymmetric Yang-Mills theory as an integrable conformal field theory

Phys Rev Lett, 2018, 120, 111601

DOI:10.1103/PhysRevLett.120.111601      [本文引用: 1]

Hosomichi K , Lee S , Okuda T .

Supersymmetric vortex defects in two dimensions

J High Energy Phys, 2018, 01, 033- 098

URL     [本文引用: 1]

Di Vecchia P , Ferrara S .

Classical solutions in two-dimensional supersymmetric field theories

Nucl Phys B, 1997, 130, 93- 104

URL     [本文引用: 1]

Mathieu P .

Supersymmetric extension of the korteweg-de vries

J Math Phys, 1988, 29, 2499- 2506

DOI:10.1063/1.528090     

Bellucci S , Ivanov E , Krivonos S , Pichugin A .

N=2 super boussinesq hierarchy:Lax pairs and conservation laws

Phys Lett B, 1993, 312, 463- 470

DOI:10.1016/0370-2693(93)90983-O     

Manin Yu , Radul A .

A supersymmetric extension of the Kadomtsev-Petviashvili hierarchy

Commun Math Phys, 1985, 98, 65- 77

DOI:10.1007/BF01211044     

Kac V, Medina E. On the super-kp hierachy. Lett Math Phys, 1996, 37: 435-448

[本文引用: 2]

LeClair A .

Supersymmetric KP hierarchy:free field construction

Nucl Phys B, 1989, 314, 425- 438

DOI:10.1016/0550-3213(89)90160-0     

Popowicz Z .

The extended supersymmetrization of the nonlinear schrödinger equation

Phys Lett A, 1994, 194, 375- 379

DOI:10.1016/0375-9601(94)91296-3     

Mao H , Liu Q P .

Bäcklund-Darbous transformations and discretizations of N=2 a=-2 supersymmetric KdV equation

Phys Lett A, 2018, 382, 253- 258

DOI:10.1016/j.physleta.2017.11.034      [本文引用: 1]

Aguirre A R , Retore A L , Gomes J F , et al.

Defects in the supersymmetric MKdV hierarchy via Bäcklund transformations

J High Energy Phys, 2018, 01, 018

URL    

Chaichian M , Kulish P P .

On the method of inverse scattering problem and Bäcklund transformation for supersymmetric equations

Phys Lett B, 1978, 78, 413- 416

DOI:10.1016/0370-2693(78)90473-2      [本文引用: 1]

Mathieu P .

The painlevé property for fermionic extensions of the Korteweg-de Vries equation

Phys Lett A, 1988, 128, 169- 171

DOI:10.1016/0375-9601(88)90903-6      [本文引用: 1]

Ibort A , Martinez Alonso L , Medina Reus E .

Explicit solutions of supersymmetric KP hierarchies:supersolitinos

J Math Phys, 1996, 37, 6157- 6172

DOI:10.1063/1.531770      [本文引用: 1]

Liu Q P .

Darbous transformations for supersymmetric Korteweg-de Vries equations

Lett Math Phys, 1995, 35, 115- 122

DOI:10.1007/BF00750761      [本文引用: 1]

McArthur I N , Yung C M .

Hirota bilinear from for the super-KdV hierarchy

Mod Phys Lett A, 1993, 8, 1739- 1745

DOI:10.1142/S0217732393001471      [本文引用: 1]

Wahlquist H D , Estabrook F B .

Prolongation structures of nonlinear evolution equations

J Math Phys, 1975, 16, 1- 7

DOI:10.1063/1.522396      [本文引用: 1]

Saha M , Roy Chowdhury A .

Supersymmetric integrable systems in (2+1) dimensional and their Bäcklund transformation

Int J Theor Phys, 1999, 38, 2037- 2047

DOI:10.1023/A:1026605819631      [本文引用: 1]

Yan Z W , Chen M R , Wu K , Zhao W Z .

(2+1)-dimensional integrable Heisenberg supermagnet model

J Phys Soc Jpn, 2012, 81, 094006

DOI:10.1143/JPSJ.81.094006      [本文引用: 1]

Cheng J P , Tian Y , Yan Z W , He J S .

The generalized additional symmetries of the two-Toda lattice hierarchy

J Math Phys, 2013, 54, 023513

DOI:10.1063/1.4792479      [本文引用: 1]

Yan Z W , Li M L , Wu K , Zhao W Z .

Fermionic covariant prolongation structure theory for multidimensional super nonlinear evolution equation

J Math Phys, 2013, 54, 033506

DOI:10.1063/1.4795405      [本文引用: 1]

Hu X B .

An approach to generate superextensions of integrable systems

J Phys A, 1997, 30, 619- 632

DOI:10.1088/0305-4470/30/2/023      [本文引用: 1]

Suh U R .

Classical affine w-superalgebras via generalized Drinfeld-Sokolov reductions and related integrable systems

Commun Math Phys, 2018, 358, 199- 236

DOI:10.1007/s00220-017-3014-7      [本文引用: 1]

Berkovits N , Vafa C , Witten E .

Conformal field theory of AdS background with Ramond-Radmond flux

J High Energy Phys, 1999, 03, 018

[本文引用: 1]

Gurarie V .

Logarithmic operators in conformal field theory

Nucl Phys B, 1993, 410, 535- 549

DOI:10.1016/0550-3213(93)90528-W      [本文引用: 1]

Guruswamy S , LeClair A , Ludwig A W W .

gl(N|N) super-current algebras for disordered Dirac fermions in two dimensions

Nucl Phys B, 2000, 583, 475- 512

DOI:10.1016/S0550-3213(00)00245-5      [本文引用: 1]

Yin Z , Yu L , Li M L .

On a supersymmetric nonlinear integrable equation in (2+1) dimensions

J Nonlin Math Phys, 2015, 22, 204- 209

DOI:10.1080/14029251.2015.1023581      [本文引用: 1]

Yan Z W , Chen F T , Liu T R , Han J M .

(2+1)-dimensional supersymmetric integrable equations

Int J Geom Methods M, 2017, 14, 1750013

DOI:10.1142/S021988781750013X      [本文引用: 1]

/