A standard modell kiterjesztése

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A standard modell kiterjesztése (angolul: Standard Model Extension (SME)) egy effektív térelmélet, amely tartalmazza a Standard Modellt, az általános relativitás elméletet, és minden lehetséges operátort, amely sérti a Lorentz szimmetriát.[1][2][3][4][5][6][7][8] Ennek az alapvető szimmetriának a sértése tanulmányozható ebben az általános SME keretrendszerben. A CPT szimmetriasértés Lorentz szimmetria sértéssel jár,[9] és a SME egyaránt tartalmaz olyan operátorokat, amelyek sértik, és olyanokat, amelyek megtartják a CPT szimmetriát.[10][11][12]

Bevezetés[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

1989-ben Alan Kostelecký es Stuart Samuel bebizonyították, hogy húrelméleti kölcsönhatások a Lorentz szimmetria spontán sértéséhez vezethetnek.[13] Későbbi tanulmányok azt mutatták ki ,hogy hurok-kvantum gravitáció, nem-kommutatív térelméletek, bránvilág-elméletek, véletlen dinamikai modellek szintén a Lorentz-invariancia sérülésével járnak. A Lorentz-sértés iránti érdeklődés az utóbbi tíz évben gyorsan növekedett, mivel a sértés előfordulhat ezen és más szóbajöhető kvantumgravitációs elméletekben. A korai 1990-es években bebizonyosodott a bozonikus szuperhúrokkal kapcsolatban, hogy húr kölcsönhatások szintén okozhatnak spontán CPT-szimmetria sértést. Ez a munka[14] arra utalt, hogy kaon interferenciával végzett kísérletek ígéretesek lehetnek a CPT-sértés keresésére, nagy érzékenységüknek köszönhetően. A SME arra született, hogy megkönnyítse a Lorentz- és CPT-szimmetria kísérleti vizsgálatait, megadva az elméleti motivációt ezen szimmetriasértésekhez. Kezdeti lépés volt 1995-ben az effektív kölcsönhatások bevezetése.[15][16] Annak ellenére, hogy a Lorentz–sértő kölcsönhatások olyan elméletek által motiváltak, mint a húrelmélet, az SME-ban megjelenő alacsony energiájú effektív hatás független a megalapozó elmélettől. Az effektív elmélet minden egyes tagja az alapelmélet valamely tenzorterének várható értékét foglalja magában. Ezek az együtthatók kicsik a Planck-skála elnyomásnak köszönhetően, és elvileg kísérletileg mérhetők. Az első figyelembe vett eset a semleges mezonok keveredése volt, mivel azok interferencia jellegű természete nagyon érzékennyé teszi azokat az elnyomott hatásokra. 1997- és 1998-ban a Don Colladay és Alan Kostelecký által írt két cikk vezette be a minimális SME-t sík téridőben.[1][2][17][18][19][20][21] Ez adott egy, a Standard Modell részecskéinek spektrumát átfogó keretrendszert a Lorentz-sértésekre és információt szolgáltatott a különböző jeltípusokról a lehetséges új kísérleti kutatásokhoz. 2004-ben publikálták a görbült téridőbe illő legfontosabb Lorentz-sértő tagokat,[3] teljessé téve ezzel a minimális SME-ról alkotott képet. 1999-ben Sidney Coleman és Sheldon Glashow állítottak fel egy speciális izotropikus határt a SME-ra.[22] Magasabb rendű Lorentz-sértő tagokat is tanulmányoztak különböző összefüggésekben, kiterjesztve azt az elektrodinamikára is.[23]

Lorentz-transzformációk: megfigyelő kontra részecske[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A Lorentz-sértés mérhető különbséget jelent két olyan rendszer között amelyek csak egy részecske Lorentz-transzformációban különböznek. A részecske és a megfigyelői Lorentz-transzformáció közötti különbség alapvető a Lorentz-sértő fizika megértésében. A speciális relativitáselméletben a megfigyelői Lorentz transzformációk olyan vonatkoztatási rendszerekben végzett mérésekre vonatkoznak amelyek orientációja és sebessége különböző. Az egyik rendszer koordinátái a másik rendszer koordinátáihoz megfigyelői Lorentz transzformáció révén kapcsolódnak egymáshoz — egy forgatással, egy egyenes irányú elmozdulással vagy a kettő kombinációjával. Mindkét megfigyelő egyetért a fizikai törvényekkel, mivel ez a transzformáció egyszerűen egy koordináta váltás. Másrészt viszont azonos kísérletek elforgathatók vagy egyenes mentén elmozdíthatók egymáshoz képest, miközben ugyanaz az inerciarendszerbeli megfigyelő tanulmányozza őket. Ezeket a transzformációkat részecske transzformációknak hívjuk, mert a kísérlet anyaga és mezői fizikailag egy új konfigurációba transzformáltak. Egy konvencionális vákuumban a megfigyeIő- és részecske-transzformációk egyszerű módon kapcsolhatók össze – lényegében egyik a másik inverze. Ez a látszólagos ekvivalencia gyakran az aktív és passzív transzformáció terminológiájának használatában jut kifejezésre. Ez az ekvivalencia a Lorentz-sértő elméletekben azonban megszűnik, mert rögzített háttérterek szimmetriasértést okoznak. Ezek a háttérterek tenzorszerű mennyiségek, amelyek kitüntetett irányokat és impulzusfüggő hatásokat hoznak létre. A mezők kiterjednek az egész térre és időre, valamint lényegében rögzítettek. Amikor egy, a háttérmezőkre érzékeny kísérletet forgatásnak vagy egyenletes transzlációnak vetünk alá, azaz részecske-transzformációt hajtunk végre rajta, a háttér mezők változatlanok maradnak, és mérhető hatások észlelhetők. Megfigyelői Lorentz-szimmetria minden elméletben elvárható, a Lorentz-sértőkben is, hiszen a koordináta transzformáció nincs hatással magára a fizikára. Ezt az invarianciát skaláris Lagrange-függvény használatával érik el a térelméletekben, megfelelően alkalmazott téridő indexekkel. Részecske Lorentz–sértés akkor jelenik meg, ha az elmélet tekintetbe veszi a rögzített SME háttérmezőket, amelyek kitöltik a világegyetemet.

Az SME felépítése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A SME kifejezhető különböző tagokból álló Lagrange- függvényként. Minden Lorentz-sértő tag egy megfigyelő skalár, amit szabványos tér operátorok azonos indexre összegzett formáival fejeznek ki megszorozva egy ellenőrző állandóval, ún. Lorentz-sértő együtthatókkal. Figyelembe kell venni, hogy ezek nem az elmélet paraméterei, mivel azok elvileg a megfelelő kísérlettel mérhetőek. Az együtthatók várhatóan kicsik a Planck- skála elnyomások miatt, ezért perturbációs eljárások a megfelelőek. Néhány esetben más elnyomó mechanizmusok is elfedhetnek nagyobb Lorentz sértéseket. Lehetséges például, hogy nagy sértések, amelyek a gravitációban előfordulhatnak , nem voltak észlelhetők eddig a gyenge gravitációs mezőkkel való kapcsolódásuk miatt.[24] Az elmélet stabilitását és okozatiságát részletesen tanulmányozták.[25]

Spontán Lorentz-szimmetria sértés[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A térelméletben két lehetséges mód van a szimmetriasértés bevezetésére: az explicit és a spontán mód. Egy alapvető eredmény a Lorentz-sértés formális elméletében, amit Kostelecký jelentetett meg 2004-ben , hogy az explicit Lorentz-sértés a Bianchi azonosságok összeegyeztethetetlenségéhez vezet az energia–impulzus és spin-sűrűség tenzorok kovariáns megmaradási törvényeivel, míg a spontán Lorentz-sértés elkerüli ezt a nehézséget.[3] Ez a tétel feltételezi, hogy minden Lorentz-szimmetria sértésének dinamikusnak kell lennie. A Lorentz-szimmetria sértése lehetséges okainak formális tanulmányozása magában foglalja a várható Nambu–Goldstone-módusok sorsának felderítését. A Goldstone-tételből következik, hogy spontán szimmetriasértést tömeg nélküli bozonok megjelenése kell, hogy kísérje. Ezek a módusok azonosíthatók a fotonnal, [26] a gravitonnal,[27][28] spin-függő[29] és spin-független kölcsönhatásokkal.[24]

Kísérleti kutatások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Bármely kísérletben előforduló lehetséges Lorentz sértés jelei kiszámíthatóak a SME-ból.[30][31][32][33][34][35]Emiatt a kísérleti fizika berkeiben a Lorentz szimmetria-sértés kutatása figyelemre méltó eszköznek bizonyult. Mostanáig a kísérleti eredmények a SME együtthatók felső korlátainak formáját öltötték. Mivel az eredmények numerikus értéke eltér a különböző inerciarendszerekben, az elfogadott vonatkoztatási rendszer az eredmények közlésére a Nap-központú rendszer lett. Ez a rendszer célszerű és megfelelő választás, hiszen hozzáférhető és inerciális több száz éves időskálán is.

Tipikus kísérletek kapcsolatot keresnek a háttér mezők és különböző részecske tulajdonságok között, mint a spin vagy a haladási irány. Az egyik kulcsfontosságú csalhatatlan jele a Lorentz sértésnek onnan származik, hogy a maga a Föld forog és kering a Nap-központú rendszerhez képest. Ezek a mozgások vezetnek a Lorentz koefficiensek mind éves, mind sziderikus változásaihoz. Mivel a Föld transzlációs mozgása a Nap körül nem relativisztikus, az éves változásokat elnyomja egy 10−4 tényező. Ez a sziderikus változásokat teszi a meghatározó időtől függő hatássá a kísérleti adatok gyűjtésében.[36]


SME együtthatók méréseit végezték a következőket tartalmazó kísérletekkel:

  • kozmológiai források kettőstörése és diszperziója
  • óra- összehasonlító mérések
  • KHS (Kozmikus Háttér Sugárzás) polarizációja
  • ütköztető kísérletek
  • elektromágneses rezonáns üregek
  • ekvivalencia elv
  • mérték és Higgs részecskék
  • nagyenergiájú asztrofizikai megfigyelések
  • gravitáció laboratóriumi és gravimetriai tesztjei
  • tömeg interferometria
  • neutrínó oszcillációk
  • K, B, D mezonok oszcillációi és bomlásai
  • részecske-antirészecske összehasonlítások
  • post-newtoni gravitáció a naprendszerben és azon kívül
  • második és harmadik generációs részecskék
  • űrkísérletetek
  • hidrogén-antihidrogén spektroszkópia
  • spin-polarizált anyag

Az összes SME koefficiensre vonatkozó kísérleti eredmény megtalálható a Lorentz és CPT sértésről készült táblázatban.[37]


Lásd még[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]


Külső hivatkozások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]


Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. ^ a b D. Colladay and V.A. Kostelecky, "CPT Violation and the Standard Model", Phys. Rev. D 55, 6760 (1997).
  2. ^ a b D. Colladay and V.A. Kostelecky, "Lorentz-Violating Extension of the Standard Model", Phys. Rev. D 58, 116002 (1998).
  3. ^ a b c V.A. Kostelecky, "Gravity, Lorentz Violation, and the Standard Model", Phys. Rev. D 69, 105009 (2004).
  4. Is Special Relativity Wrong? by Phil Schewe and Ben Stein, AIP Physics News Update Number 712 #1, December 13, 2004.
  5. Special Relativity Reconsidered by Adrian Cho, Science, Vol. 307. no. 5711, p. 866, 11 February 2005.
  6. Has time run out on Einstein's theory?, CNN, June 5, 2002.
  7. Was Einstein Wrong? Space Station Research May Find Out, JPL News, May 29, 2002.
  8. Peering Over Einstein's Shoulders by J.R. Minkel, Scientific American Magazine, June 24, 2002.
  9. O. Greenberg "CPT Violation Implies Violation of Lorentz Invariance", Phys. Rev. Lett. 89, 231602 (2002).
  10. Kostelecky, Alan. The Search for Relativity Violations. Scientific American Magazine.
  11. Russell, Neil. Fabric of the final frontier, New Scientist Magazine issue 2408, 16 August 2003.
  12. Time Slows When You're on the Fly by Elizabeth Quill, Science, November 13, 2007.
  13. V.A. Kostelecky and S. Samuel, "Spontaneous Breaking of Lorentz Symmetry in String Theory", Phys. Rev. D 39, 683 (1989).
  14. V.A. Kostelecky and R. Potting, "CPT and strings", Nucl. Phys. B 359, 545 (1991).
  15. V.A. Kostelecky and R. Potting, "CPT, Strings, and Meson Factories", Phys. Rev. D 51, 3923 (1995).
  16. IU Physicist offers foundation for uprooting a hallowed principle of physics, Indiana University News Room, January 5, 2009.
  17. New Ways Suggested to Probe Lorentz Violation, American Physical Society News, June 2008.
  18. Quantum gravity: Back to the future, Nature 427, 482-484 (5 February 2004).
  19. Lorentz Violations? Not Yet by Phil Schewe, James Riordon, and Ben Stein, Number 623 #2, February 5, 2003.
  20. Relativity: Testing times in space, Nature 416, 803-804, (25 April 2002).
  21. Catching relativity violations with atoms by Quentin G. Bailey, APS Viewpoint, Physics 2, 58 (2009).
  22. S. Coleman and S.L. Glashow, "High-energy tests of Lorentz invariance", Phys. Rev. D 59, 116008 (1999).
  23. V.A. Kostelecky and M. Mewes, "Electrodynamics with Lorentz-Violating Operators of Arbitrary Dimension", Phys. Rev. D 80, 015020 (2009).
  24. ^ a b V.A. Kostelecky and J. Tasson, "Prospects for Large Relativity Violations in Matter-Gravity Couplings", Phys. Rev. Lett. 102, 010402 (2009).
  25. V.A. Kostelecky and R. Lehnert, "Stability, Causality, and Lorentz and CPT Violation", Phys. Rev. D 63, 065008 (2001).
  26. R. Bluhm and V.A. Kostelecky, "Spontaneous Lorentz Violation, Nambu-Goldstone Modes, and Gravity", arxiv|hep-th/0412320.
  27. V.A. Kostelecky and R. Potting, "Gravity from Spontaneous Lorentz Violation", Phys. Rev. D 79, 065018 (2009).
  28. V.A. Kostelecky and R. Potting, "Gravity from Local Lorentz Violation", Gen. Rel. Grav. 37, 1675 (2005).
  29. N. Arkani-Hamed, H.C. Cheng, M. Luty, and J. Thaler, "Universal dynamics of spontaneous Lorentz violation and a new spin-dependent inverse-square law force", JHEP 0507, 029 (2005).
  30. Unification could be ripe for the picking, Physics World, Jan 13, 2009.
  31. Michelson–Morley experiment is best yet by Hamish Johnston, Physics World, Sep 14, 2009.
  32. Neutrinos: The key to a theory of everything by Marcus Chown, New Scientist Magazine issue 2615, 1 August 2007.
  33. Einstein's relativity survives neutrino test, Indiana University News Room, October 15, 2008.
  34. Relativity violations may make light by Francis Reddy, Astronomy Magazine, June 21, 2005.
  35. Antimatter and matter may have different properties, Indiana University News Room.
  36. Lorentz symmetry stays intact, Physics World, Feb 25, 2003.
  37. V.A. Kostelecky and N. Russell, "Data Tables for Lorentz and CPT Violation", arxiv|0801.0287