Costruzione di una rappresentazione proiettiva per un gruppo finito arbitrario

Abbiamo visto in un precedente articolo che cos’è una rappresentazione proiettiva di un gruppo. Abbiamo visto anche due esempi concreti, per $\U(1)$ e per $\Z_2 \times \Z_2$. In questo articolo vediamo invece una costruzione arbitraria che vale per un gruppo finito qualsiasi. Non è molto naturale, ma funziona.

Dato un gruppo qualsiasi $G$, abbiamo l’algebra del gruppo $\C[G]$ che è lo spazio vettoriale complesso di dimensione $\abs{G}$ con elementi $x \in \C[G]$ della forma $\ket{x} = \sum_{g\in G} x_g \ket{g}$, dove $\ket{g}$ è un elemento di base ortonormale. Abbiamo quindi la rappresentazione regolare sinistra $L_g$ che agisce su una base $\ket{h}$ come

$$L_g \ket{h} = \ket{gh}$$

dove $gh$ è semplicemente la moltiplicazione in $G$. Su un elemento generico invece abbiamo

$$L_g \ket{x} = \sum_{h\in G} x_h \ket{gh} = \sum_{k \in G} x_{g^{-1} k} \ket{k}$$

Questa è una vera e propria rappresentazione di $G$. Possiamo infatti facilmente controllare che $L_g L_h = L_{gh}$ e inoltre $L_g^\dagger = L_{g}^{-1} = L_{g^{-1}}$.

Come matrice, $L_g$ ha dimensione $\abs{G} \times \abs{G}$ ed ha elementi di matrice dati da

$$(L_g)_{h,k} = \bra{h} L_g \ket{k} = \expval{h | g k} = \delta_{h k^{-1},g}$$

Per ottenere la rappresentazione proiettiva modifichiamo $L$ in maniera apposita. Ovvero definiamo un nuovo operatore $\widetilde{L}_g$ che è una leggera modifica rispetto ad $L$, ovvero su una base agisce come

$$\widetilde{L}_g \ket{h} \equiv \omega(g,h) \ket{gh} $$

dove $\omega \in \U(1)$ è (per ora) una fase qualsiasi. Per vedere se $\widetilde{L}$ è una rappresentazione, calcoliamo

$$\widetilde{L}_g \widetilde{L}_{g’} \ket{h} = \omega(g’,h) \widetilde{L}_g \ket{g’h} =\omega(g’,h) \omega(g, g’h) \ket{g g’h}$$

Mentre invece

$$\widetilde{L}_{gg’} \ket{h} = \omega(gg’, h) \ket{g g’ h}$$

Perciò abbiamo

$$\widetilde{L}_g \widetilde{L}_{g’} = \frac{\omega(g’,h) \omega(g, g’h)}{\omega(gg’, h)} \widetilde{L}_{gg’}$$

Questa espressione può essere semplificata notando che $\widetilde{L}_g$ essendo semplicemente una matrice deve rimanere associativa; come avevamo visto nel precedente articolo ciò implica che $\omega$ è un cosiddetto cociclo, ovvero soddisfa

$$\omega(h,k) \omega(g,hk) = \omega(g,h) \omega(gh,k)$$

Applicata alla formula sopra, otteniamo

$$\widetilde{L}_g \widetilde{L}_{g’} =\omega(g,g’)\widetilde{L}_{gg’}$$

Perciò dato un cociclo qualsiasi $\omega$, abbiamo ottenuto una rappresentazione proiettiva $\widetilde{L}$. Se il cociclo è banale, allora la rappresentazione è equivalente ad $L$, altrimenti non lo è.

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