Расширение стандартной модели
Расширение стандартной модели (SME) — это эффективная теория поля , содержащая Стандартную модель , общую теорию относительности и все возможные операторы, нарушающие симметрию Лоренца . [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Нарушения этой фундаментальной симметрии можно изучать в рамках этой общей структуры. Нарушение CPT подразумевает нарушение симметрии Лоренца, [9] а SME включает в себя операторы, которые одновременно нарушают и сохраняют CPT-симметрию . [10] [11] [12]
Разработка
[ редактировать ]В 1989 году Алан Костелецкий и Стюарт Сэмюэл доказали, что взаимодействия в теориях струн могут привести к спонтанному нарушению симметрии Лоренца. [13] Более поздние исследования показали, что петлевая квантовая гравитация, некоммутативные теории поля, сценарии мира бран и модели случайной динамики также включают нарушение лоренц-инвариантности . [14] Интерес к нарушению Лоренца быстро вырос в последние десятилетия, поскольку он может возникнуть в этих и других теориях-кандидатах на квантовую гравитацию . В начале 1990-х годов в контексте бозонных суперструн было показано , что взаимодействия струн также могут спонтанно нарушать симметрию CPT . Эта работа [15] предположили, что эксперименты с каонной интерферометрией будут перспективны для поиска возможных сигналов нарушения CPT из-за их высокой чувствительности.
SME был задуман для облегчения экспериментальных исследований симметрии Лоренца и CPT, учитывая теоретическую мотивацию нарушения этих симметрий. Первым шагом в 1995 году было введение эффективных взаимодействий. [16] [17] Хотя лоренц-нарушающие взаимодействия мотивированы такими конструкциями, как теория струн , низкоэнергетическое эффективное действие, возникающее в SME, не зависит от базовой теории. Каждый член эффективной теории предполагает ожидание тензорного поля в базовой теории. планковского масштаба Эти коэффициенты малы из-за подавления и в принципе измеримы в экспериментах. В первом случае рассматривалось смешивание нейтральных мезонов, поскольку их интерферометрическая природа делает их очень чувствительными к подавленным эффектам.
В 1997 и 1998 годах две статьи Дона Колладэя и Алана Костелецкого породили минимальное МСП в плоском пространстве-времени . [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 ведущие члены, нарушающие Лоренц, в искривленном пространстве-времени: [3] тем самым дополняя картину минимального МСП. В 1999 году Сидни Коулман и Шелдон Глэшоу представили специальнуюизотропный предел МСП. [23] Члены, нарушающие Лоренц, высокого порядка изучались в различных контекстах, включая электродинамику. [24]
Преобразования Лоренца: наблюдатель против частицы
[ редактировать ]Различие между преобразованиями частицы и наблюдателя важно для понимания нарушения Лоренца в физике, поскольку нарушение Лоренца подразумевает измеримую разницу между двумя системами, отличающимися только преобразованием Лоренца частицы .
В специальной теории относительности наблюдателя преобразования Лоренца связывают измерения, сделанные в системах отсчета с разными скоростями и ориентациями. Координаты в одной системе связаны с координатами в другой посредством преобразования Лоренца наблюдателя — вращения, ускорения или комбинации того и другого. Каждый наблюдатель согласится с законами физики , поскольку это преобразование представляет собой просто изменение координат . С другой стороны, идентичные эксперименты можно поворачивать или ускорять относительно друг друга, при этом их изучает один и тот же инерционный наблюдатель. Эти преобразования называются преобразованиями частиц, поскольку вещество и поля эксперимента физически преобразуются в новую конфигурацию.
В обычном вакууме трансформации наблюдателя и частицы могут быть связаны друг с другом простым способом — по сути, одно является обратным другому. Эту кажущуюся эквивалентность часто выражают с использованием терминологии активных и пассивных преобразований. Однако эквивалентность не работает в теориях, нарушающих Лоренц, поскольку фиксированные фоновые поля являются источником нарушения симметрии. Эти фоновые поля представляют собой тензорные величины, создающие предпочтительные направления и эффекты, зависящие от повышения. Поля простираются во всем пространстве и времени и по существу заморожены. Когда эксперимент, чувствительный к одному из фоновых полей, вращается или усиливается, т.е. трансформируется частица, фоновые поля остаются неизменными, и возможны измеримые эффекты. Лоренц-симметрия наблюдателя ожидается для всех теорий, включая теории, нарушающие Лоренца, поскольку изменение координат не может повлиять на физику [ нужны разъяснения ] . Эта инвариантность реализуется в теориях поля путем записи скалярного лагранжиана с правильно сжатыми индексами пространства-времени. Лоренц-нарушение частиц возникает, если теория включает фиксированные фоновые поля SME, заполняющие Вселенную.
Создание малого и среднего бизнеса
[ редактировать ]SME можно выразить как лагранжиан с различными членами. Каждый член, нарушающий Лоренц, представляет собой скаляр наблюдателя, построенный путем сжатия стандартных операторов поля с управляющими коэффициентами, называемыми коэффициентами нарушения Лоренца . Это не параметры, а скорее предсказания теории, поскольку их в принципе можно измерить с помощью соответствующих экспериментов. Ожидается, что коэффициенты будут небольшими из-за подавления планковского масштаба, поэтому пертурбативные методы подходят . В некоторых случаях [ который? ] , другие механизмы подавления могут маскировать крупные нарушения Лоренца. Например, крупные 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 симметрии Лоренца
[ редактировать ]В теории поля возможны два способа реализации нарушения симметрии: явный и спонтанный. Ключевой результат формальной теории нарушения Лоренца, опубликованной Костелецким в 2004 году, заключается в том, что явное нарушение Лоренца приводит к несовместимости тождеств Бьянки с ковариантными законами сохранения для тензоров энергии-импульса и спиновой плотности , тогда как спонтанное нарушение Лоренца уклоняется от эта трудность. [3] Эта теорема требует [ нужны разъяснения ] что любое нарушение симметрии Лоренца должно быть динамическим. Формальные исследования возможных причин нарушения симметрии Лоренца включают исследование судьбы ожидаемых мод Намбу – Голдстоуна. Теорема Голдстоуна предполагает, что спонтанный разрыв должен сопровождаться безмассовыми бозонами . Эти моды можно было бы отождествить с фотоном . [27] гравитон , [28] [29] спин-зависимые взаимодействия, [30] и спин-независимые взаимодействия. [25]
Экспериментальные поиски
[ редактировать ]Возможные сигналы нарушения Лоренца в любом эксперименте можно рассчитать на основе SME. [31] [32] [33] [34] [35] [36] Таким образом, он оказался замечательным инструментом в поисках нарушения Лоренца в экспериментальной физике. До сих пор экспериментальные результаты имели форму верхних границ коэффициентов SME. Поскольку результаты будут численно разными для разных инерциальных систем отсчета, стандартной системой координат, принятой для сообщения результатов, является система координат с центром по Солнцу. Этот кадр является практичным и подходящим выбором, поскольку он доступен и инерционен во временном масштабе в сотни лет.
Типичные эксперименты направлены на поиск связи между фоновыми полями и различными свойствами частиц, такими как вращение или направление распространения. Один из ключевых сигналов нарушения Лоренца возникает из-за того, что эксперименты на Земле неизбежно вращаются и вращаются относительно системы отсчета, центрированной Солнцем. Эти движения приводят как к годовым, так и к звездным 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 зависящим от времени эффектом, который следует искать в экспериментальных данных. [37]
 |
Измерения коэффициентов SME проводились с помощью экспериментов, включающих:
- двойное лучепреломление и дисперсия от космологических источников
- измерения для сравнения часов
- реликтового излучения поляризация
- эксперименты на коллайдере
- электромагнитные резонансные резонаторы
- принцип эквивалентности
- Калибровка и частицы Хиггса
- астрофизические наблюдения высоких энергий
- лабораторные и гравиметрические исследования силы тяжести
- интерферометрия материи
- нейтринные осцилляции
- колебания и распады K, B, D-мезонов
- сравнение частиц и античастиц
- постньютоновская гравитация в Солнечной системе и за ее пределами
- частицы второго и третьего поколения
- космические миссии
- спектроскопия водорода и антиводорода
- спин-поляризованная материя.
Все экспериментальные результаты для коэффициентов SME сведены в таблицы данных для нарушений Лоренца и CPT. [38]
См. также
[ редактировать ]- Тесты на антивещество с нарушением Лоренца
- Электродинамика, нарушающая Лоренц
- Лоренц-нарушающие нейтринные осцилляции
- Модели Шмелей
- Тесты специальной теории относительности
- Проверка теории специальной теории относительности
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Колладей, Дон; Костелецкий, В. Алан (1 июня 1997 г.). «Нарушение CPT и стандартная модель». Физический обзор D . 55 (11): 6760–6774. arXiv : hep-ph/9703464 . Бибкод : 1997PhRvD..55.6760C . дои : 10.1103/physrevd.55.6760 . ISSN 0556-2821 . S2CID 7651433 .
- ^ Jump up to: а б Колладей, Д.; Костелецкий, В. Алан (26 октября 1998 г.). «Расширение стандартной модели, нарушающее Лоренц». Физический обзор D . 58 (11): 116002. arXiv : hep-ph/9809521 . Бибкод : 1998PhRvD..58k6002C . дои : 10.1103/physrevd.58.116002 . ISSN 0556-2821 . S2CID 4013391 .
- ^ Jump up to: а б с Костелецкий, В. Алан (17 мая 2004 г.). «Гравитация, нарушение Лоренца и стандартная модель». Физический обзор D . 69 (10): 105009. arXiv : hep-th/0312310 . Бибкод : 2004PhRvD..69j5009K . дои : 10.1103/physrevd.69.105009 . ISSN 1550-7998 . S2CID 55185765 .
- ^ Неправильна ли специальная теория относительности? Фил Шю и Бен Стейн, Обновление новостей физики AIP, номер 712 № 1, 13 декабря 2004 г.
- ^ 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 . ПМИД 15705835 . S2CID 28092885 .
- ^ Истекло ли время теории Эйнштейна? , CNN, 5 июня 2002 г.
- ^ Был ли Эйнштейн неправ? Исследования космической станции могут выяснить это , Новости JPL, 29 мая 2002 г.
- ↑ «Вглядываясь через плечо Эйнштейна» , Дж. Р. Минкель, Scientific American, 24 июня 2002 г.
- ^ Гринберг, Огайо (18 ноября 2002 г.). «Нарушение CPT влечет за собой нарушение лоренц-инвариантности». Письма о физических отзывах . 89 (23): 231602. arXiv : hep-ph/0201258 . Бибкод : 2002PhRvL..89w1602G . дои : 10.1103/physrevlett.89.231602 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 12484997 . S2CID 9409237 .
- ^ Костелецкий, Алан. Поиск нарушений теории относительности . Научный американец.
- ^ Рассел, Нил. Ткань последнего рубежа , журнал New Scientist Magazine, выпуск 2408, 16 августа 2003 г.
- ↑ Время замедляется, когда вы в полете , Элизабет Куилл, Science, 13 ноября 2007 г.
- ^ Костелецкий, В. Алан; Сэмюэл, Стюарт (15 января 1989 г.). «Спонтанное нарушение симметрии Лоренца в теории струн». Физический обзор D . 39 (2): 683–685. Бибкод : 1989PhRvD..39..683K . дои : 10.1103/physrevd.39.683 . HDL : 2022/18649 . ISSN 0556-2821 . ПМИД 9959689 .
- ↑ Нарушение симметрии Лоренца , Physics World, 10 марта 2004 г.
- ^ Алан Костелецкий, В.; Поттинг, Робертус (1991). «КПТ и струны». Ядерная физика Б . 359 (2–3): 545–570. Бибкод : 1991НуФБ.359..545А . дои : 10.1016/0550-3213(91)90071-5 . HDL : 2022/20736 . ISSN 0550-3213 .
- ^ Костелецкий, В. Алан; Поттинг, Робертус (1 апреля 1995 г.). «КПТ, струны и мезонные фабрики». Физический обзор D . 51 (7): 3923–3935. arXiv : hep-ph/9501341 . Бибкод : 1995PhRvD..51.3923K . дои : 10.1103/physrevd.51.3923 . ISSN 0556-2821 . ПМИД 10018860 . S2CID 1472647 .
- ^ Физик IU предлагает основу для искоренения священного принципа физики. Архивировано 29 сентября 2012 г. в Wayback Machine , отдел новостей Университета Индианы, 5 января 2009 г.
- ^ Новые способы, предложенные для исследования нарушения Лоренца , Новости Американского физического общества, июнь 2008 г.
- ^ Болл, Филип (2004). «Назад в будущее» . Природа . 427 (6974): 482–484. дои : 10.1038/427482a . ISSN 0028-0836 . ПМИД 14765166 . S2CID 29609511 .
- ^ Нарушения Лоренца? Еще нет , Фил Шью, Джеймс Риордон и Бен Стайн, номер 623 № 2, 5 февраля 2003 г.
- ^ Ламоро, Стив К. (2002). «Испытание временем в космосе» . Природа . 416 (6883): 803–804. дои : 10.1038/416803а . ISSN 0028-0836 . ПМИД 11976666 . S2CID 28341801 .
- ^ Обнаружение нарушений относительности атомов , Квентин Г. Бейли, APS Viewpoint, Physics 2, 58 (2009).
- ^ Коулман, Сидни; Глэшоу, Шелдон Л. (28 апреля 1999 г.). «Высокоэнергетические тесты лоренц-инвариантности». Физический обзор D . 59 (11): 116008. arXiv : hep-ph/9812418 . Бибкод : 1999PhRvD..59k6008C . дои : 10.1103/physrevd.59.116008 . ISSN 0556-2821 . S2CID 1273409 .
- ^ Костелецкий, В. Алан; Мьюз, Мэтью (29 июля 2009 г.). «Электродинамика с операторами произвольной размерности, нарушающими Лоренц». Физический обзор D . 80 (1): 015020.arXiv : 0905.0031 . Бибкод : 2009PhRvD..80a5020K . дои : 10.1103/physrevd.80.015020 . ISSN 1550-7998 . S2CID 119241509 .
- ^ Jump up to: а б Костелецкий, В. Алан; Тассон, Джей Д. (5 января 2009 г.). «Перспективы больших нарушений теории относительности в взаимодействиях материи и гравитации». Письма о физических отзывах . 102 (1): 010402. arXiv : 0810.1459 . Бибкод : 2009PhRvL.102a0402K . дои : 10.1103/physrevlett.102.010402 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 19257171 . S2CID 15236830 .
- ^ Костелецкий, В. Алан; Ленерт, Ральф (13 февраля 2001 г.). «Стабильность, причинность и нарушение Лоренца и CPT». Физический обзор D . 63 (6): 065008. arXiv : hep-th/0012060 . Бибкод : 2001PhRvD..63f5008K . дои : 10.1103/physrevd.63.065008 . ISSN 0556-2821 . S2CID 119074843 .
- ^ Блюм, 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 . Бибкод : 2005PhRvD..71f5008B . дои : 10.1103/physrevd.71.065008 . ISSN 1550-7998 . S2CID 119354909 .
- ^ Костелецкий, В. Алан; Поттинг, Робертус (19 марта 2009 г.). «Гравитация от спонтанного нарушения Лоренца». Физический обзор D . 79 (6): 065018. arXiv : 0901.0662 . Бибкод : 2009PhRvD..79f5018K . дои : 10.1103/physrevd.79.065018 . ISSN 1550-7998 . S2CID 119229843 .
- ^ В. А. Костелецкий и Р. Поттинг, Гравитация от локального нарушения Лоренца , Генерал Отн. Грав. 37, 1675 (2005).
- ^ Н. Аркани-Хамед, Х.К. Ченг, М. Люти и Дж. Талер, Универсальная динамика спонтанного нарушения Лоренца и новая спин-зависимая сила закона обратных квадратов , JHEP 0507, 029 (2005).
- ^ Объединение может быть созрело для выбора , Physics World, 13 января 2009 г.
- ↑ Эксперимент Майкельсона-Морли — лучший на данный момент, автор Хэмиш Джонстон, Physics World, 14 сентября 2009 г.
- ↑ Нейтрино: ключ к теории всего , Маркус Чоун, журнал New Scientist Magazine, выпуск 2615, 1 августа 2007 г.
- ↑ Теория относительности Эйнштейна выдержала испытание нейтрино , Отдел новостей Университета Индианы, 15 октября 2008 г.
- ↑ Нарушения теории относительности могут пролить свет на Фрэнсиса Редди, журнал Astronomy Magazine, 21 июня 2005 г.
- ^ Антиматерия и материя могут иметь разные свойства. Архивировано 8 ноября 2005 г. в Wayback Machine , отдел новостей Университета Индианы.
- ^ Симметрия Лоренца остается неизменной , Physics World, 25 февраля 2003 г.
- ^ Костелецкий, В. Алан; Рассел, Нил (10 марта 2011 г.). «Таблицы данных для нарушения Лоренца и CPT». Обзоры современной физики . 83 (1): 11–31. arXiv : 0801.0287 . Бибкод : 2011РвМП...83...11К . дои : 10.1103/revmodphys.83.11 . ISSN 0034-6861 . S2CID 3236027 .