[論文レビュー] Probing Models of Quantum Decoherence in Particle Physics and Cosmology

Nick E. Mavromatos, Sarben Sarkar|ArXiv.org|Dec 15, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、量子重力によるデコherenceが根本的なCPT対称性の破れの原因である可能性を検討し、泡状の時空における開放量子系が非ユニタリな進化と定義されないCPT演算子を引き起こすと提案している。精密な実験、特にアップグレードされたφファクトリーでの中性K中間子およびニュートリノの実験が、これらの効果を探索可能であり、現在の実験感度でも信号を検出可能である可能性がある。

ABSTRACT

In this review we first discuss the string theoretical motivations for induced decoherence and deviations from ordinary quantum-mechanical behaviour; this leads to intrinsic CPT violation in the context of an extended class of quantum-gravity models. We then proceed to a description ofprecision tests of CPT symmetry and quantum mechanics using mainly neutral kaons and neutrinos. We also emphasize the possibly unique role of neutral meson factories in providing specific tests of models where the quantum-mechanical CPT operator is not well-defined, leading to modifications of Einstein-Podolsky-Rosen particle correlators. Finally, we discuss experimental probes of decoherence in a cosmological context, including studies of dissipative relaxation models of dark energy in the context of non-critical (non-equilibrium) string theory and the associated modifications of the Boltzmann equation for the evolution of species abundances.

研究の動機と目的

• ストリング理論および非臨界ストリングモデルから生じる量子重力に起因するデコherenceの理論的動機を明らかにすること。
• 量子重力的環境におけるデコherenceが、ユニタリ性の喪失と定義されないCPT演算子を介して根本的なCPT対称性の破れを引き起こす仕組みを解明すること。
• CPT演算子が明確に定義されないモデルを検証可能な、特に中性メソン系における高精度実験的プローブを同定すること。
• 非臨界ストリング宇宙論におけるデコherenceが、リリックな物質密度やダークエネルギーのダイナミクスに与える影響を評価すること。
• 現在および近い将来の実験、例えばアップグレードされたφファクトリーおよびニュートリノ振動施設で、これらの量子重力効果を検出可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 開放量子系の形式的取り扱いを用いて、低エネルギー有効場理論と量子重力的環境の相互作用をモデル化し、密度行列の進化を修正されたリウヴィル方程式で記述する。
• リウヴィル方程式には、時空の泡に閉じ込められた観測されない自由度に起因するデコherenceを表す非ユニタリ補正項 $\delta H\hskip-8.5pt/\hskip 2.0pt\rho$ が含まれる。
• 非ユニタリな進化の文脈でCPT対称性の破れを分析し、散乱演算子 $\mathcal{S}$ が $\mathcal{S}\mathcal{S}^\dagger = \mathbb{I}$ を満たさないことで、標準的なCPT定理が破綻することを示す。
• 定義されないCPT演算子を伴うモデルでは、アインシュタイン＝ポドルスキー＝ローゼン（EPR）相関が変更され、エンタングルされた中性メソン系において観測可能な $\omega$-様効果が現れる。
• 非臨界ストリング理論を用いて宇宙論的モデルを拡張し、時間に依存するダイラトン場および重力子 $\beta$-関数を、リリック密度のボルツマン方程式における源項として導入する。
• リリック密度の計算は、源項 $\Gamma(t) = \dot{\Phi} - \frac{1}{2}e^{-\Phi}g^{\mu\nu}\tilde{\beta}_{\mu\nu}^{\rm Grav}$ を介して修正され、凍結条件と有効自由度 $\tilde{g}_{\rm eff}$ が変化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子重力に起因するデコherenceは、低エネルギー有効場理論において観測可能なCPT対称性の破れを引き起こすか？
• RQ2 φファクトリーで生成されるようなエンタングルされた中性メソン系において、定義されないCPT演算子の測定可能なシグネチャーは何か？
• RQ3 時間に依存するダイラトン場および重力子 $\beta$-関数を伴う非臨界ストリング宇宙論モデルは、リリック密度の標準ボルツマン方程式をどのように修正するか？
• RQ4 宇宙論的デコherence効果は、標準的な熱的凍結機構と比較して、ダークマターのリリック密度予測にどの程度の影響を与えるか？
• RQ5 現在および近い将来のK中間子およびニュートリノ実験は、デコherenceを引き起こす量子重力モデルを否定または制限可能か？

主な発見

• 量子的時空の泡に起因するデコherenceは、非ユニタリな進化を引き起こし、CPT演算子を定義不能にし、強力な形でのCPT対称性の破れをもたらす。
• 修正されたリウヴィル方程式 $\partial_t \rho = i[\rho, H] + \delta H\hskip-8.5pt/\hskip 2.0pt\rho$ は、観測されない重力自由度が存在する状況における開放量子系のダイナミクスを捉えている。
• φファクトリー実験では、定義されないCPT演算子に起因するEPR相関への $\omega$-様効果が、DA\Phi NE-2のアップグレードによって検出可能であると予測される。
• ダークマターのリリック密度は、時間に依存するダイラトンおよび重力子 $\beta$-関数を含む源項 $\Gamma(t)$ によって修正され、標準的な凍結条件が変化する。
• 修正された凍結点 $x_f^{-1}$ は $\Gamma H^{-1}/x$ の積分を含んでおり、$\Gamma$ の符号および大きさが、標準模型と比較してリリック密度を増加または減少させる可能性がある。
• 非臨界ストリング宇宙論において、デコherence効果がリリック密度の予測を顕著に変化させるため、超対称的ダークマターモデルの制約は再評価が必要である。