Gruppentheorie in der Physik
Group Theory in Physics

Modul PH2116

Diese Modulbeschreibung enthält neben den eigentlichen Beschreibungen der Inhalte, Lernergebnisse, Lehr- und Lernmethoden und Prüfungsformen auch Verweise auf die aktuellen Lehrveranstaltungen und Termine für die Modulprüfung in den jeweiligen Abschnitten.

Modulversion vom WS 2022/3 (aktuell)

Von dieser Modulbeschreibung gibt es historische Versionen. Eine Modulbeschreibung ist immer so lange gültig, bis sie von einer neuen abgelöst wird.

Ob die Lehrveranstaltungen des Moduls in einem spezifischen Semester angeboten werden, finden Sie im Abschnitt Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise unten.

verfügbare Modulversionen
WS 2022/3SS 2021WS 2019/20WS 2018/9WS 2017/8WS 2010/1

Basisdaten

PH2116 ist ein Semestermodul in Englisch auf Master-Niveau das unregelmäßig angeboten wird.

Das Modul ist Bestandteil der folgenden Kataloge in den Studienangeboten der Physik.

  • Spezifischer Spezialfachkatalog Kern-, Teilchen- und Astrophysik
  • Fokussierungsrichtung Theoretische Quantenwissenschaften & -technologien im M.Sc. Quantum Science & Technology
  • Komplementärer Spezialfachkatalog Physik der kondensierten Materie
  • Komplementärer Spezialfachkatalog Biophysik
  • Komplementärer Spezialfachkatalog Applied and Engineering Physics
  • Spezialisierung im Elitemasterstudiengang Theoretische und Mathematische Physik (TMP)

Soweit nicht beim Export in einen fachfremden Studiengang ein anderer studentischer Arbeitsaufwand ("Workload") festgelegt wurde, ist der Umfang der folgenden Tabelle zu entnehmen.

GesamtaufwandPräsenzveranstaltungenUmfang (ECTS)
300 h 90 h 10 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH2116 ist Norbert Kaiser.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

The module is structured in the following way:

Basic notions of group theory: Symmetries in physics, Magmas, Semigroups, Groups, Homomorphism and Isomorphism, Realizations, Representations

Discrete groups: Order, Period, The cyclic group Cn (and Zn), Rearrangement theorem, The symmetric group Sn, The Dihedral group Dn, The alternating group An, Cayley's theorem, Cosets, Lagrange's theorem, Normal subgroups, Quotient groups, Homomorphism theorem, Conjugacy classes, Representations of finite groups, Irreducible and reducible representations, Unitary representations , Schur's lemmas, Great orthogonality theorem, Characters and character table, Decomposition theorem
Physics application: spontaneous symmetry breaking and the example of super conductivity

Lie groups in physics: Rotations in quantum mechanics and projective representation, Basic properties of matrices: exponential, determinant, BCH formula, SO(3), Generators and structure constants of SO(3), Lie groups: definitions and basic theorems, Lie algebras: definitions and basic theorems, Adjoint representation, Direct sums, Direct products and decompositions, Representations of SO(3), SU(2), The SO(3) ~ SU(2) homomorphism, Generators and structure constants of SU(2), Spinors in SU(2), Representations of SU(2)
Physics application: the hydrogen atom, Isospin, Cartan subalgebras, roots and weights, SU(3), Generators and structure constants of SU(3), Basic properties of the Gell-Mann matrices, Weights of SU(3), Fundamental representation, Complex conjugate representation,  Adjoint representation, Casimir operator, Simple roots and basic theorems, Dynkin diagrams, Heighest weight and classification of all SU(3) representations, SU(n), Tensor method, Young tableaux and classification of representations, Decomposition of products of representations in SU(n), Physics application: SU(3) and the strong interaction, Classification scheme of all Lie algebras in terms of Dynkin diagrams: An, Bn, Cn, Dn, G2, F4, E6, E7, E8


Introduction to the Lorentz and Poincaré groups and representations.

Lernergebnisse

After successful completion of the module the students are able to:

  • remember the most important notions and theorems in group theory for discrete groups
  • classify finite Abelian groups
  • understand the origin of spin groups
  • remember the definition of a Lie group and distinguish Lie groups and Lie algebras
  • to construct character tables for the representations of finite groups
  • to classify the representations of SU(2) and SU(3) by weight diagrams
  • to explain irreducible representations of the Lorentz group.

Emphasis is put on physical applications in particle physics.

Voraussetzungen

Linear algebra (e.g. MA9201), basic quantum mechanics (e.g. PH0007)

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

ArtSWSTitelDozent(en)TermineLinks
VO 4 Group Theory in Physics Weiler, A. Di, 13:00–16:00, PH 3343
eLearning
UE 2 Übung zu Gruppentheorie in der Physik
Leitung/Koordination: Weiler, A.
Mi, 10:00–12:00, PH 3343
sowie einzelne oder verschobene Termine

Lern- und Lehrmethoden

In der Vorlesung werden die Inhalte (in der Regel) durch Tafelvortrag vermittelt. Der Fokus liegt auf den mathematischen Grundlagen dieses Anwendungsgebiets der theoretischen Physik. Durch Beispiele werden die Anwendungen der Gruppentheorie in der theoretischen Physik klar gemacht. Graphische Methoden wie Gewichtsdiagramme dienen der Veranschaulichung der mathematischen Konzepte.

Medienformen

Vorlesung, Präsentation, Tafelanschrieb

Literatur

Books:

M. Hamermesh: Group Theory and its Application to Physical Problems, Addison Wesley, (1962)

J.F. Cornwell: Group Theory in Physics, Academic Press, (1984)

T. Cheng & L. Li: Gauge Theory of Elementary Particle Physics, Oxford University Press, (1984)

H. Georgi: Lie Algebras in Particle Physics, 2nd edition, Westview Press, (1999)

P. Ramond: Group Theory: A Physicist's Survey, Cambridge University Press, (2010)

S. Scherer: Symmetrien und Gruppen in der Teilchenphysik, Springer Spektrum, (2016)


Lecture notes:

F.J. Yndurain: Elements of Group Theory, Cornell University, (2007)  e-Print: arXiv:0710.0468

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

Es findet eine mündliche Prüfung von 25 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Rechenaufgaben und Verständnisfragen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

  • Nennen Sie die grundlegenden Definitionen und Begriffsbildungen in der Gruppentheorie
  • Wenden Sie die allgemeinen Sätze auf konkrete Beispiele
  • Nennen Sie Beispiele für orthogonale und unitäre Gruppen

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten.

Aktuell zugeordnete Prüfungstermine

Derzeit sind in TUMonline die folgenden Prüfungstermine angelegt. Bitte beachten Sie neben den oben stehenden allgemeinen Hinweisen auch stets aktuelle Ankündigungen während der Lehrveranstaltungen.

Titel
ZeitOrtInfoAnmeldung
Prüfung zu Gruppentheorie in der Physik
Di, 10.10.2023, 9:00 bis 23:59 Dummy-Termin. Wenden Sie sich zur individuellen Terminvereinbarung an die/den Prüfer(in). Anmeldung für Prüfungstermin zwischen 18.09.2023 und 21.10.2023. // Dummy date. Contact examiner for individual appointment. Registration for exam date between 2023-Sep-18 and 2023-Oct-21. bis 29.9.2023 (Abmeldung bis 3.10.2023)
Nach oben