1. 引言
顶点算子代数(VOA)为研究一些特殊的模和共型场论的一般结构提供了强大的代数工具。顶点算子代数的一个最有趣的例子是由Frenkel,Lepowsky和Meurman ([1])构造的月光模
(moonshine module),也被称为月光顶点算子代数(Moonshine VOA)。[2]证明了月光顶点算子代数
包含48个Virasoro向量,每个Virasoro向量生成一个同构于
的Virasoro VOA。并且
是
的一个全子VOA,由此提供了一个研究顶点算子代数的新思路,即通过单Virasoro代数的模来研究顶点算子代数。后来[3]引进了一个新的记号来表示中心载荷为1/2的单共型向量,在这篇文章中称为Ising向量,此外[4]发展了一套方法由Ising向量构造VOA V的全自同构群中的对合,通常称为是Miyamoto对合。[5] [6]用Miyamoto对合研究了MacKay对仿射
图的观测,并且具体地构造出了由两个Ising向量生成的VOA的结构。这些VOA通常记为
,这里
。称之为
代数。
在[7]中确定了实数域上的具有正定不变双线性型的VOA中的2个Ising向量生成的Griess代数,它们就是上述9个VOA
的Griess代数
。VOA
称为是月光型VOA,如果
,
。很自然,学者对在月光型VOA中,由两个Ising向量生成的VOA结构是否也同构于
提出了疑问。在[8]中研究确定了由月光型VOA中两个Ising向量生成的VOA的结构,根据2个Ising向量e,
f的正定不变双线性型
的取值情况
,其分别同构于
代数。
在[9]中研究了仿射
图,并且具体构造出了一些由一对3A代数生成的VOA。这些VOA被记为
。在[10]中,确定了由两个具有公共轴向量的3A代数的Griess代数生成的Griess代数,它们就是
的Griess代数。每个3A代数的Griess代数有一组正规的
基,它们由3个Ising向量和一个中心载荷为4/5的Virasoro向量构成,并且可以被其中的2个Ising向量生成,从而[10]中的Griess代数可以看成是由满足一定条件的2对Ising向量生成的Griess代数,这一定条件是指2对Ising向量分别生成2个3A代数,并且其构成Griess代数的正规基含有一个公共的中心载荷为4/5的Virasoro向量。本文将讨论并回答由月光型VOA中满足上述条件的2对Ising向量生成的VOA
是否也同构于
。
本文主要思路与[8]中的思路类似,根据[10]中对Giress代数的分类,分情况证明
的Virasoro元素可以写成Griess代数中一组正交的共型向量的和,并且这组共型向量的中心载荷
都来自unitary序列,其生成的单Virasoro VOA同构于
。用
的表示理论来确定
的结构。
本文的主要结构如下:第2章是预备知识,给出一些基本的记号和后面要用到的一些结果,第3章是本文的主要结果,分别讨论由月光型VOA中的2对Ising向量生成的Griess代数为
时,其生成的VOA的结构。
2. 预备知识
2.1. 顶点算子代数
定义2.1 设
是代数闭域,顶点代数是一个三元组
:这里V是域F上的一个向量空间,Y是一个线性映射:
其中,是以
中的元素为系数的关于变量
的Laurent-幂级数的全体构成的向量空间,
是一个特定的向量(以下将其称之为顶点代数V的真空向量),并满足下面的条件:
下方截断性:对于任意的元素
,有
;
真空性质:
;
生成性质:
,并且有
;
Jacobi-恒等式:对任意的
,有下列等式:
这里
是形式
函数,并且约定:指数
展开成关于
的幂级数时,变量
只有非负的方幂。即
。
定义2.2 顶点算子代数是一个四元组
:这里
是域F上的顶点代数,且V有子空间的直和分解:
,使得
元素
是一个特定的向量,称其为V的共型向量,其对应的顶点算子通常表示为两种不同的形式
并且其系数满足下列三个条件:
;
;
.
其中
,
是常量,称为顶点算子代数V的中心载荷。
有限维子空间
是算子
的权为n的权空间,其中的向量称为权向量或齐次元素,齐次元素u的权记为
。
定义2.3 子顶点代数
包含真空向量
,且对所有的
运算封闭的V的子空间M,构成一个顶点代数,称其为顶点代数V的子代数。
定义2.4 子顶点算子代数
称为
是顶点算子代数V的子顶点算子代数,如果U是顶点代数V的子代数,并且包含共型向量e,使得
。
但e并不一定是V的共型向量,当e也是V的共型向量时,称子顶点算子代数
是V的全子顶点算子代数。
定义2.5 月光型顶点算子代数
顶点算子代数V称为是月光型顶点算子代数,如果V是非负分次
,并且
,
。
2.2. Unitary Virasoro顶点算子代数
对复数c和h,记中心载荷为c,最高权为h的Virasoro代数的不可约最高权模为
。
令
则
是有理的,并且
,
就是所有的不可约
模。这也称为是Virasoro顶点算子代数的unitary序列[2] [11]。
定义2.6 Ising向量
V中的元素e称为是中心载荷为c的Virasoro向量,如果e满足
。
中心载荷为c的Virasoro向量e称为是单的,如果其生成的Virasoro顶点算子代数
。
单的c = 1/2的共型向量称为是Ising向量。
3. 主要结论
本节将要给出由2对Ising向量生成的VOA的3种可能的结构。首先,给出研究的具体范围:
基本假设 设V是实数域上的月光型VOA,假定V上的限制对偶(contragredient)双线性型是正定的。
设
,
是V中的2对Ising向量,分别生成3A代数
,使得
和
是
的Griess代数的一组正规基。
接下来要确定由
,
生成的子顶点算子代数,只需要找到包含着
的最小的子顶点算子代数
。具体思路如下:
首先确定由
,
生成的Giress代数,即
,然后将
的共型向量写成
中来自于unitary序列的互相正交的单Virsoro向量的和。
显然这个和式中每一个单Virsoro向量生成的VOA都应该包含在
中,从而得到
的子代数T,将
看成其子代数T的模,其是有理的,可以写成T的不可约模的直和,由于unitary序列的不可约模是确定的,故仅需要讨论哪些不可约模一定会出现即可确定
的结构。
引理3.1. [10]设
是由
生成Griess代数,则
有3种可能的结构:
,
,
。
下面根据
,
生成的Griess代数的结构,即
,分情况来确定由
生成的VOA
的结构。
情形1
此时,见[10]中的情形4.1,有
,
,所以
和
可以相互生成。
所以,此时
。
情形2
此时,见[10]情形4.2,有
,这时有一组正规
基:
,其中
。
从而
,
可以由
生成。
此时,
是由2个Ising向量
生成的。
又因为
,由[8]中的结果可知,
。
情形3
令
,
,定义
。
在这种情况下,
是12维的,其由9个Ising向量
和4个中心载荷为4/5的Virasoro
向量张成,其满足关系式
并且有运算关系式(参见[10] 4.9)
可以选取
作为
的一组基,其是线性无关的。
因为
。
引理3.2. ([12] 4.3)设
是一个紧的OZ型VOA,A是
中Virasoro向量的集合,使得A线性张成
的Griess代数的一个子代数。则A生成
的一个子VOA
,其共型向量
由A中的元素线性张成,并且由条件:
所唯一确定。
根据引理3.2可以得到
的共型向量。
命题3.3.
是
的共型向量
证明:令
,则
直接计算有:
由引理3.2可知
是
的共型向量 □
是中心载荷为4/5的Virasoro向量,由unitary序列可知其所有的不可约模为:
此外,由运算关系式
,可知
的共型向量
写成了互相正交的Virasoro向量
的和。
从而
有一个子代数:
又因为
作为子代数T的模是完全可约的,从而
可以写成T的不可约子模的和。
T的不可约子模形如:
因为
的齐次空间都是整分次的,即作为
的特征子空间的特征值都是整数。
所以
一定是整数。
用
来表示:
所有可能出现的T的不可约子模如下所示:
根据[10]引理4.15,
是正规
基。
因此有下列的正规
基:
,
,
,
.
令:
,
,
,
,
,
,
,
.
直接计算得:
,
;
,
;
,
;
,
.
由此可以看出,
一定会出现,并且其提供8个
中线性无关的向量。
进一步,通过计算
。
所以这12个向量线性张成整个
。
考虑
模的fusion rule:
由于VOA
是由权为2的向量生成的,
的fusion rule封闭,不会出现
和
,所以
和
的情况不会出现。
但是做fusion rule会出现
的部分,所以
可能会出现。
下面需要确定
是否出现。为此考虑V的自同构g和h。
接下来的讨论在复数域上进行,记
,令
即有:
其中矩阵A表示如下
A的秩为9,从而
是线性无关的。
通过直接计算可以得到
。
进一步有下面群
的特征标表。
现在通过
的9阶自同构群G,可以得到
分解([13]定理6.1):
并且此时G的每一个不可约特征标都是1维的,因为
。
根据[13] (定理6.3),有
,从而
。
那么
和
关于另外一个VOA的量子维数是相等的,这里取另外的VOA为Virasoro VOA
。
关于
的量子维数有如下结果:
,
,
.
一方面
属于不同的直和项,由
的不可约性,可知
生成
,即:
。
另一方面,通过计算
在
上的作用,有下面的结果:
,
;
,
;
,
;
,
;
.
由于
在
的作用下不动,所以
,又因为
是
的子VOA,所以
同样含有子代数T。
由
在
上的作用,可知
,
是
的最高权向量,T作用在
生成T的不可约模形如:
其中
有3个为
,另一个为0,又因为T同样在
中,所以有:
由此计算
,
的量子维数:
其中
有3个为
,1个为0。
为了方便,下面的讨论中除非特殊说明不考虑的
次序,即:
仅表示
中有1个为3,3个为2/3。
因为每个
的量子维数相等,所以
,而
的量子维数为1,所以
中一定含有除
外的部分。接下来分两种情况讨论。
情形1
中没有
部分
由前面的讨论可知,每个
的量子维数相等,从而
,所以
中一定会出现
,
或3的情况,考虑
与
的fusion rule:
从而
现一定出现在
的部分,这时
。
此时只有一种可能,即所有的
都出现,且都在
中,并且所有的
也都会出现,分别属于不同的
,
。
情形2
中有
部分
此时
有且只有1个
。因为如果
有两个
部分,则
这种情况不可能出现,因为此时所有的
和所有的
都出现也无法使每一部分
的量子维数相同,所以
有且只有1个
。
由于
,而
的量子维数为8,
所以在
中一定有除
外的部分。
如果
中有
部分,则其量子维数至少为16,此时只有一种可能,即所有的
,
和所有的
都会出现。
如果
中没有
部分,则每个
的量子维数为9,此时一定会有一个次序(此时考虑次序)不同于
部分的
或3出现。
比如
,此时考虑下述fusion rule:
从而会出现
。
综上所述,
中一定会出现
部分。此时所有的
和
都会出现。
通过上述讨论可以得出
得结构如下:
综合上述3种情形可以得到本节的主要定理。
定理3.4. 设V是月光型VOA,且V上的限制对偶双线性型是正定的。
和
是V中的2对Ising向量,其分别生成3A代数
,使得
和
是
的Griess代数的一组正规基,则由
和
生成的VOA
有3种可能的结构:
,
和
注:[9]中证明了
,
,
同构于一个code VOA,从而本文猜测第三种情形中的结构可以进一步细化为[9]中的code VOA。
此时已经得到
的一个子代数
即
,从而可以将
视为
模。
在[14]中研究并给出了所有的不可约
模:
其中作为
模,有
,
,
,
.
在[4]中,计算了不可约
模的fusion rule有:
,
,
,
.
下面用1来表示
,−1表示
,0表示
,对定理3.4中第三种情形中出现的两种作为T模的相同结构,将其视为
模,通过确定其中的一个符号之后,另一个取相反的符号来加以区分。
比如,将定理3.4中第三种情形中出现的直和项中作为同构T模的两个
视为
模
确定其中的一个为
,
另一个相应的取为
.
首先,指定其两组的符号为
,相应的有
。
另外,由fusion rule
,相应的有
。
此外,由fusion rule
,相应的有
。
按照这种方式,定理3.4中的情形3,
同构于[9]中所描述的code VOA。