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 операторы, которые как нарушают, так и сохраняют симметрию CPT . [10] [11] [12]
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 оно 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 . В этой работе [15] было высказано предположение, 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. Эти коэффициенты малы из-за подавления планковского масштаба и в принципе измеримы в экспериментах. В первом случае рассматривалось смешение нейтральных мезонов, поскольку их интерферометрическая природа делает их очень чувствительными к подавленным эффектам.
В 1997 и 1998 годах две статьи Дона Колладея 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 лоренц-нарушающие члены в искривленном пространстве-времени [3] , тем самым дополнив картину минимального SME. В 1999 году Сидни Коулман и Шелдон Глэшоу представили специальный изотропный предел МСП. [23] Члены, нарушающие Лоренц, высокого порядка изучались в различных контекстах, включая электродинамику. [24]
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 преобразования Лоренца наблюдателя 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 помощью 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. Симметрия Лоренца наблюдателя ожидается для всех теорий, включая теории, нарушающие Лоренца, поскольку изменение координат не может повлиять на физику [ необходимы разъяснения ] . Эта инвариантность реализуется в теориях поля путем записи скалярного лагранжиана с правильно сжатыми индексами пространства-времени. Лоренц-разрушение частиц возникает, если теория включает фиксированные фоновые поля SME, заполняющие Вселенную.
SME можно выразить как лагранжиан с различными членами. Каждый член, нарушающий Лоренца, 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 подходят пертурбативные методы. В некоторых случаях [ каких? ] , другие механизмы подавления могут маскировать большие 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]
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 [ необходимо разъяснение ] , 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] гравитоном , [28] [29] спин-зависимыми взаимодействиями, [30] и спин-независимыми взаимодействиями. [25]
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 поиске нарушения Лоренца в рамках экспериментальной физики. 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 солнечно-центрированной системы отсчета. 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 -4 раз . Это делает сидерические вариации основным зависящим от времени эффектом, который следует искать в экспериментальных данных. [37]
Измерения коэффициентов SME проводились с помощью экспериментов, включающих:
Все экспериментальные результаты для коэффициентов SME сведены в таблицы данных для нарушений Лоренца и CPT. [38]