[論文レビュー] Probing Models of Quantum Space-Time Foam

John Ellis, Dimitri V. Nanopoulos+1 more|ArXiv.org|Sep 28, 1999

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、プランクスケールにおける時空泡沫の量子揺らぎが、高エネルギー天体的源（例：ガンマ線バースト）を介して検出可能なエネルギーに依存する屈折率および光円錐の確率的性質を引き起こす可能性を提案している。ストリング理論にインspiredされたDブレーン反動モデルを用いて、光子の伝播に測定可能な分散を予測し、宇宙論的観測における量子重力効果の検証可能なシグネチャを提供している。

ABSTRACT

We review the possibility that quantum fluctuations in the structure of space-time at the Planck scale might be subject to experimental probes. We study the effects of space-time foam in an approach inspired by string theory, in which solitonic D-brane excitations are taken into account when considering the ground state. We model the properties of this medium by analyzing the recoil of a D particle which is induced by the scattering of a closed-string state. We find that this recoil causes an energy-dependent perturbation of the background metric, which in turn induces an energy-dependent refractive index in vacuo, and stochastic fluctuations of the light cone. We show how distant astrophysical sources such as Gamma-Ray Bursters (GRBs) may be used to test this possibility, making an illustrative analysis of GRBs whose redshifts have been measured. Within this framework, we also discuss the propagation of massive particles and the possible appearance of cosmological vacuum energy that relaxes towards zero. We also discuss D-brane recoil in models with `large' extra dimensions.

研究の動機と目的

• プランクスケールにおける量子的時空泡沫が、高エネルギー天体的現象を通じて実験的に探査可能かどうかを調査すること。
• 特に反動ダイナミクスに注目して、ストリング理論におけるDブレーン励起状態を用いて時空泡沫の効果をモデル化すること。
• 真空中のエネルギーに依存する屈折率および光円錐ゆらぎといった観測可能な結果を導出すること。
• 赤方偏移が測定されたガンマ線バースト（GRBs）を用いたこれらの効果の検証可能性を評価すること。
• 大きな余剰次元を有するモデルにおける質量を有する粒子の伝播および宇宙論的真空中エネルギーの緩和に関する含意を検討すること。

提案手法

• ストリング理論的枠組みにおいて、ソリトン的Dブレーン励起状態を用いて時空泡沫をモデル化し、基底状態を動的な媒体として扱う。
• 閉じたストリング状態の散乱によって誘発されるD粒子の反動を分析し、それによるメトリックの摂動を導出する。
• 有効場理論的手法を用いて摂動したメトリックから、真空中に誘導されるエネルギーに依存する屈折率を計算する。
• 高赤方偏移のガンマ線バースト（GRBs）にモデルを適用し、光子の到着時刻の遅れをエネルギー関数として計算する。
• 大きな余剰次元がDブレーン反動および真空中エネルギーの緩和ダイナミクスに与える影響を検討する。
• 測定済みのGRB赤方偏移データを用いて、特にプランクスケールの泡沫スケールを含むモデルのパラメータを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プランクスケールにおける時空泡沫の量子揺らぎが、光子伝播における測定可能なエネルギー依存性の分散を生じるか？
• RQ2 ストリング理論的モデルにおけるDブレーン反動が、光子エネルギーに依存する真空中の屈折率をどのようにもたらすか？
• RQ3 赤方偏移が既知のガンマ線バーストは、時空泡沫モデルの予測を検証するためにどの程度利用可能か？
• RQ4 大きな余剰次元を有するモデルにおいて、Dブレーン反動が宇宙論的真空中エネルギーの進化に与える含意は何か？
• RQ5 量子泡沫効果に起因するメトリック摂動から、どのように確率的光円錐ゆらぎが生じるか？

主な発見

• Dブレーン反動モデルは、背景メトリックにエネルギー依存性の摂動を誘導し、光子エネルギーに応じて変化する真空中の屈折率を生じる。
• このモデルは、遠方のGRBから来る高エネルギー光子のタイミング変動を通じて検出可能な光円錐の確率的ゆらぎを予測する。
• 赤方偏移が測定されたガンマ線バーストの解析から、高エネルギー光子と低エネルギー光子の間の予測される時刻遅れが、現在および将来の観測機器の感度範囲内にあることが示された。
• このモデルは、泡沫構造内のDブレーンダイナミクスによって媒介される、宇宙論的真空中エネルギーがゼロに向かって緩和するメカニズムを示唆している。
• 大きな余剰次元を有するモデルでは、Dブレーン反動効果が強化され、量子泡沫シグネチャの観測可能性が向上する可能性がある。
• 導出された屈折率は、高精度のGRB天体物理学的観測によって探査可能なプランクスケールの泡沫構造を示唆している。