Расширение стандартной модели - Standard-Model Extension

Расширение стандартной модели (SME) является эффективная теория поля который содержит Стандартная модель, общая теория относительности, и все возможные операторы, которые нарушают Симметрия Лоренца.[1][2][3][4][5][6][7][8]Нарушения этой фундаментальной симметрии можно изучать в рамках этой общей структуры. Нарушение CPT означает нарушение лоренцевой симметрии,[9]и SME включает операторов, которые и ломают, и сохраняют Симметрия CPT.[10][11][12]

Разработка

В 1989 г. Алан Костелецки и Стюарт Сэмюэл доказал, что взаимодействия в теориях струн могут приводить к спонтанному нарушению лоренцевой симметрии.[13] Более поздние исследования показали, что петлевая квантовая гравитация, некоммутативные теории поля, сценарии мира бран и модели случайной динамики также связаны с распадом Лоренц-инвариантность.[14] Интерес к нарушению Лоренца быстро вырос в последние десятилетия, потому что оно может возникнуть в этих и других кандидатских теориях. квантовая гравитация. В начале 1990-х это было показано в контексте бозонных суперструны что взаимодействия струн могут также спонтанно нарушаться Симметрия CPT. Эта работа[15]предложил экспериментировать с Каон Интерферометрия может быть перспективной для поиска возможных сигналов нарушения CPT из-за их высокой чувствительности.

SME был задуман для облегчения экспериментальных исследований Лоренца и Симметрия CPT, учитывая теоретическую мотивацию нарушения этих симметрий. Первым шагом в 1995 году было внедрение эффективных взаимодействий.[16][17]Хотя взаимодействия, нарушающие Лоренц, мотивируются такими конструкциями, как теория струн, низкоэнергетическое эффективное действие, возникающее в SME, не зависит от лежащей в основе теории. Каждый член эффективной теории включает в себя ожидание тензорного поля в основной теории. Эти коэффициенты малы из-за планковского масштаба. подавление, и в принципе измеримы экспериментально. В первом случае рассматривалось смешивание нейтральных мезонов, поскольку их интерферометрическая природа делает их очень чувствительными к подавленным эффектам.

В 1997 и 1998 годах вышли две статьи Дона Колладея и Алан Костелецки дали начало минимальному МСП в квартире пространство-время.[1][2] Это обеспечило основу для нарушения Лоренца во всем спектре частиц стандартной модели и предоставило информацию о типах сигналов для потенциальных новых экспериментальных поисков.[18][19][20][21][22]

В 2004 году были опубликованы основные ломающие Лоренца члены в искривленном пространстве-времени:[3]тем самым завершая картину для минимального SME. В 1999 году, Сидни Коулман и Шелдон Глэшоу представил специальный изотропный предел МСП.[23]Члены с нарушением Лоренца высшего порядка изучались в различных контекстах, включая электродинамику.[24]

Преобразования Лоренца: наблюдатель против частицы

Основная статья: Активная и пассивная трансформация

Различие между преобразованиями частицы и наблюдателя важно для понимания нарушения Лоренца в физике, потому что нарушение Лоренца подразумевает измеримую разницу между двумя системами, различающимися только частицей. Преобразование Лоренца.

В специальная теория относительности, наблюдатель Преобразования Лоренца связать измерения, сделанные в системах отсчета с разными скоростями и ориентациями. Координаты в одной системе связаны с координатами в другой наблюдателем. Преобразование Лоренца - вращение, усиление или их комбинация. Каждый наблюдатель согласится с законами физика, так как это преобразование просто изменение координат. С другой стороны, идентичные эксперименты можно вращать или усиливать относительно друг друга, пока они изучаются одним и тем же инерционным наблюдателем. Эти преобразования называются преобразованиями частиц, потому что материя и поля эксперимента физически преобразуются в новую конфигурацию.

В обычный вакуум, преобразования наблюдателя и частицы могут быть связаны друг с другом простым способом - по сути, одно является обратным другому. Эта кажущаяся эквивалентность часто выражается с использованием терминологии активных и пассивных преобразований. Однако эквивалентность не работает в теориях с нарушением лоренца, поскольку фиксированные фоновые поля являются источником нарушения симметрии. Эти фоновые поля представляют собой тензорные величины, создающие предпочтительные направления и зависящие от усиления эффекты. Поля простираются во всем пространстве и времени и по существу заморожены. Когда эксперимент, чувствительный к одному из фоновых полей, вращается или усиливается, т. Е. Трансформируются частицы, фоновые поля остаются неизменными, и возможны измеримые эффекты. Симметрия наблюдателя Лоренца ожидается для всех теорий, в том числе и с нарушением Лоренца, поскольку изменение координат не может повлиять на физику.[требуется разъяснение ]. Эта инвариантность реализуется в теориях поля путем записи скалярной лагранжиан, с правильно сжатыми индексами пространства-времени. Разрушение Лоренца частиц вступает в силу, если теория включает фиксированные фоновые поля SME, заполняющие Вселенную.

Создание малого и среднего бизнеса

МСП можно выразить как Лагранжиан с разными сроками. Каждый член с нарушением лоренц-нарушения представляет собой скаляр наблюдателя, построенный путем сжатия стандартных полевых операторов с управляющими коэффициентами, называемыми коэффициенты нарушения Лоренца. Это не параметры, а скорее предсказания теории, так как в принципе их можно измерить с помощью соответствующих экспериментов. Ожидается, что коэффициенты будут небольшими из-за подавления планковского масштаба, поэтому пертурбативные методы уместны. В некоторых случаях[который? ]другие механизмы подавления могут маскировать серьезные нарушения Лоренца. Например, большие нарушения, которые могут существовать в гравитации, могли остаться незамеченными из-за взаимодействия со слабыми гравитационными полями.[25]Подробно изучены устойчивость и причинность теории.[26]

Спонтанное нарушение лоренц-симметрии

Основная статья: Нарушение лоренцевой симметрии

В теории поля есть два возможных способа реализовать нарушение симметрии: явный и спонтанный. Ключевой результат формальной теории нарушения Лоренца, опубликованный Костелецкий в 2004 г. состоит в том, что явное нарушение Лоренца приводит к несовместимости Бьянки идентичности с ковариантными законами сохранения для энергия-импульс и спиновая плотность тензоров, тогда как спонтанное нарушение Лоренца позволяет избежать этой трудности.[3] Эта теорема требует[требуется разъяснение ] что любое нарушение лоренцевой симметрии должно быть динамическим. Формальные исследования возможных причин нарушения лоренц-симметрии включают исследования судьбы ожидаемых мод Намбу-Голдстоуна. Теорема Голдстоуна означает, что самопроизвольное разрушение должно сопровождаться безмассовым бозоны. Эти режимы могут быть отождествляется с фотоном,[27]то гравитон,[28][29]спин-зависимые взаимодействия,[30]и спин-независимые взаимодействия.[25]

Экспериментальные поиски

Возможные сигналы нарушения Лоренца в любом эксперименте могут быть рассчитаны с помощью SME.[31][32][33][34][35][36] Таким образом, он оказался замечательным инструментом в поисках нарушения Лоренца в среде экспериментальной физики. До настоящего времени экспериментальные результаты принимали форму верхних оценок коэффициентов SME. Поскольку результаты будут численно разными для разных инерциальных систем отсчета, стандартным кадром, принятым для представления результатов, является кадр с центром в Солнце. Эта рамка является практичным и подходящим выбором, поскольку она доступна и инерционна в масштабе времени в сотни лет.

Типичные эксперименты ищут связи между фоновыми полями и различными свойствами частиц, такими как спин или направление распространения. Один из ключевых сигналов нарушения Лоренца возникает из-за того, что эксперименты на Земле неизбежно вращаются и вращаются относительно системы, центрированной по Солнцу. Эти движения приводят к годовым и сидерическим вариациям измеренных коэффициентов нарушения Лоренца. Поскольку поступательное движение Земли вокруг Солнца является нерелятивистским, годовые вариации обычно подавляются в 10 раз.−4. Это делает сидерические вариации основным нестационарным эффектом, который следует искать в экспериментальных данных.[37]

Измерения коэффициентов SME проводились с помощью экспериментов, включающих:

Все экспериментальные результаты для коэффициентов SME приведены в таблицах данных для нарушений Лоренца и CPT.[38]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Колладей, Дон; Костелецкий, В. Алан (1 июня 1997 г.). «Нарушение ЕКПП и стандартная модель». Физический обзор D. 55 (11): 6760–6774. arXiv:hep-ph / 9703464. Bibcode:1997ПхРвД..55.6760С. Дои:10.1103 / Physrevd.55.6760. ISSN  0556-2821. S2CID  7651433.
  2. ^ а б Colladay, D .; Костелецкий, В. Алан (1998-10-26). «Лоренц-инвариантное расширение стандартной модели». Физический обзор D. 58 (11): 116002. arXiv:hep-ph / 9809521. Bibcode:1998ПхРвД..58к6002С. Дои:10.1103 / Physrevd.58.116002. ISSN  0556-2821. S2CID  4013391.
  3. ^ а б c Костелецкий, В. Алан (17 мая 2004 г.). «Гравитация, нарушение Лоренца и стандартная модель». Физический обзор D. 69 (10): 105009. arXiv:hep-th / 0312310. Bibcode:2004ПхРвД..69дж5009К. Дои:10.1103 / Physrevd.69.105009. ISSN  1550-7998. S2CID  55185765.
  4. ^ Неправда ли специальная теория относительности? Фил Шеве и Бен Штайн, AIP Physics News Update Number 712 # 1, 13 декабря 2004 г.
  5. ^ Чо, А. (11 февраля 2005 г.). «Пересмотр специальной теории относительности». Наука. 307 (5711): 866–868. Дои:10.1126 / science.307.5711.866. ISSN  0036-8075. PMID  15705835. S2CID  28092885.
  6. ^ Неужели истекло время теории Эйнштейна?, CNN, 5 июня 2002 г.
  7. ^ Эйнштейн ошибался? Исследования космической станции могут выяснить, Новости JPL, 29 мая 2002 г.
  8. ^ Взгляд через плечо Эйнштейна Минкель, журнал Scientific American, 24 июня 2002 г.
  9. ^ Гринберг, О. В. (2002-11-18). «Нарушение CPT подразумевает нарушение лоренц-инвариантности». Письма с физическими проверками. 89 (23): 231602. arXiv:hep-ph / 0201258. Bibcode:2002PhRvL..89w1602G. Дои:10.1103 / Physrevlett.89.231602. ISSN  0031-9007. PMID  12484997. S2CID  9409237.
  10. ^ Костелецкий, Алан. Поиск нарушений теории относительности. Scientific American.
  11. ^ Рассел, Нил. Ткань последнего рубежа, New Scientist Magazine, выпуск 2408, 16 августа 2003 г.
  12. ^ Время замедляется, когда ты в бегах Элизабет Куилл, Science, 13 ноября 2007 г.
  13. ^ Костелецкий, В. Алан; Сэмюэл, Стюарт (1989-01-15). «Самопроизвольное нарушение лоренцевой симметрии в теории струн». Физический обзор D. 39 (2): 683–685. Bibcode:1989ПхРвД..39..683К. Дои:10.1103 / Physrevd.39.683. HDL:2022/18649. ISSN  0556-2821. PMID  9959689.
  14. ^ Нарушение симметрии Лоренца, Physics World, 10 марта 2004 г.
  15. ^ Алан Костелецки, В .; Поттинг, Робертус (1991). «CPT и струны». Ядерная физика B. 359 (2–3): 545–570. Bibcode:1991НуФБ.359..545А. Дои:10.1016/0550-3213(91)90071-5. HDL:2022/20736. ISSN  0550-3213.
  16. ^ Костелецкий, В. Алан; Поттинг, Робертус (1995-04-01). «CPT, струнные и мезонные фабрики». Физический обзор D. 51 (7): 3923–3935. arXiv:hep-ph / 9501341. Bibcode:1995ПхРвД..51.3923К. Дои:10.1103 / Physrevd.51.3923. ISSN  0556-2821. PMID  10018860. S2CID  1472647.
  17. ^ IU Physicist предлагает основу для искоренения священного принципа физики В архиве 2012-09-29 в Wayback Machine, Отдел новостей Университета Индианы, 5 января 2009 г.
  18. ^ Предлагаются новые способы исследования нарушения Лоренца, Новости американского физического общества, июнь 2008 г.
  19. ^ Болл, Филипп (2004). "Назад в будущее". Природа. 427 (6974): 482–484. Дои:10.1038 / 427482a. ISSN  0028-0836. PMID  14765166. S2CID  29609511.
  20. ^ Нарушения Лоренца? Еще нет Фил Шеве, Джеймс Риордон и Бен Штайн, номер 623 # 2, 5 февраля 2003 г.
  21. ^ Ламоро, Стив К. (2002). «Время испытаний в космосе». Природа. 416 (6883): 803–804. Дои:10.1038 / 416803a. ISSN  0028-0836. PMID  11976666. S2CID  28341801.
  22. ^ Выявление нарушений теории относительности с помощью атомов Квентин Г. Бейли, APS Viewpoint, Physics 2, 58 (2009).
  23. ^ Коулман, Сидней; Глэшоу, Шелдон Л. (28 апреля 1999 г.). «Высокоэнергетические тесты лоренц-инвариантности». Физический обзор D. 59 (11): 116008. arXiv:hep-ph / 9812418. Bibcode:1999ПхРвД..59к6008С. Дои:10.1103 / Physrevd.59.116008. ISSN  0556-2821. S2CID  1273409.
  24. ^ Костелецкий, В. Алан; Мьюз, Мэтью (2009-07-29). «Электродинамика с лоренц-нарушающими операторами произвольной размерности». Физический обзор D. 80 (1): 015020. arXiv:0905.0031. Bibcode:2009ПхРвД..80а5020К. Дои:10.1103 / Physrevd.80.015020. ISSN  1550-7998. S2CID  119241509.
  25. ^ а б Костелецкий, В. Алан; Тассон, Джей Д. (05.01.2009). «Перспективы больших нарушений теории относительности в связях материя-гравитация». Письма с физическими проверками. 102 (1): 010402. arXiv:0810.1459. Bibcode:2009PhRvL.102a0402K. Дои:10.1103 / Physrevlett.102.010402. ISSN  0031-9007. PMID  19257171. S2CID  15236830.
  26. ^ Костелецкий, В. Алан; Ленерт, Ральф (13 февраля 2001). «Стабильность, причинность и нарушение Лоренца и CPT». Физический обзор D. 63 (6): 065008. arXiv:hep-th / 0012060. Bibcode:2001ПхРвД..63ф5008К. Дои:10.1103 / Physrevd.63.065008. ISSN  0556-2821. S2CID  119074843.
  27. ^ Блум, Роберт; Костелецкий, В. Алан (22 марта 2005 г.). «Спонтанное нарушение Лоренца, моды Намбу-Голдстоуна и гравитация». Физический обзор D. 71 (6): 065008. arXiv:hep-th / 0412320. Bibcode:2005ПхРвД..71ф5008Б. Дои:10.1103 / Physrevd.71.065008. ISSN  1550-7998. S2CID  119354909.
  28. ^ Костелецкий, В. Алан; Поттинг, Робертус (19 марта 2009 г.). «Гравитация от спонтанного нарушения Лоренца». Физический обзор D. 79 (6): 065018. arXiv:0901.0662. Bibcode:2009ПхРвД..79ф5018К. Дои:10.1103 / Physrevd.79.065018. ISSN  1550-7998. S2CID  119229843.
  29. ^ В.А. Костелецкий и Р. Поттинг, Гравитация от местного нарушения Лоренца, Gen. Rel. Грав. 37, 1675 (2005).
  30. ^ Н. Аркани-Хамед, H.C. Ченг, М. Льюти и Дж. Талер, Универсальная динамика спонтанного нарушения Лоренца и новый спин-зависимый закон обратных квадратов, JHEP 0507, 029 (2005).
  31. ^ Объединение может быть созрело для выбора, Physics World, 13 января 2009 г.
  32. ^ Эксперимент Майкельсона – Морли пока еще лучше Автор: Хэмиш Джонстон, Physics World, 14 сентября 2009 г.
  33. ^ Нейтрино: ключ к теории всего Маркус Чоун, New Scientist Magazine, выпуск 2615, 1 августа 2007 г.
  34. ^ Теория относительности Эйнштейна пережила нейтринный тест, Отдел новостей Университета Индианы, 15 октября 2008 г.
  35. ^ Нарушение теории относительности может пролить свет Фрэнсис Редди, Astronomy Magazine, 21 июня 2005 г.
  36. ^ Антивещество и вещество могут иметь разные свойства В архиве 2005-11-08 на Wayback Machine, Комната новостей Университета Индианы.
  37. ^ Симметрия Лоренца остается неизменной, Physics World, 25 февраля 2003 г.
  38. ^ Костелецкий, В. Алан; Рассел, Нил (10.03.2011). "Таблицы данных для нарушений Лоренца и CPT". Обзоры современной физики. 83 (1): 11–31. arXiv:0801.0287. Bibcode:2011RvMP ... 83 ... 11K. Дои:10.1103 / revmodphys.83.11. ISSN  0034-6861. S2CID  3236027.

внешняя ссылка