[論文レビュー] Spontaneous CPT asymmetry of the Universe

A. A. Andrianov, Paola Giacconi+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、CPT-奇性のチェーン＝シモンズ項および軸性ベクトル相互作用を含む拡張されたローレンツ不変で再正則化可能な量子電磁力学（QED）モデルを用いて、自発的 CPTおよびローレンツ対称性の破れを検討する。このような対称性の破れが、光子の二重屈折、電子ヘリシティ質量分裂、高エネルギー電子の崩壊といった観測可能な効果を引き起こすことが示され、実験的制約が誘導されたベクトルを極めて小さな値に制限している。これは物理的に整合的ではあるが、実験的に捉えにくいフレームワークであることを示唆している。

ABSTRACT

The extended QED with renormalizable interactions breaking the Lorentz and CPT symmetry is considered and the phenomenological consequences of such a symmetry breaking are illuminated in view of recent discussion of large scale anisotropy of the Universe. Other physical effects in QED with CPT violation are examined, in particular, mass splitting between electrons of different helicities and decay of very high energetic electrons into lower energy electrons and positrons.

研究の動機と目的

• 自発的 CPTおよびローレンツ対称性の破れが量子場理論に与える現象論的影響を調査すること。
• 再正則化可能性、ゲージ不変性、微小因果性を満たす修正QEDモデルの整合性を検討すること。
• 大規模な宇宙の非等方的構造を説明するのに、CPT-奇性および軸性ベクトル相互作用が有効であるかを評価すること。
• 光子の二重屈折およびフェルミオンの質量分裂に関する実験データから、誘導されたチェーン＝シモンズ項および軸性ベクトル場の制約を導出すること。
• axionの凝縮または背景トーション場による対称性の破れの動的起源を調査すること。

提案手法

• 定数ベクトル ημ を介した CPT-奇性のチェーン＝シモンズ（CS）結合およびフェルミオンへの軸性ベクトル結合 bμ を含む拡張QEDラグランジアンを構築する。
• ημ および bμ の存在下での光子およびフェルミオンの分散関係を解析し、エネルギー運動量スペクトルの修正を示す。
• 定数の軸性背景におけるフェルミオンの正準量子化を適用し、ヘリシティ依存の質量分裂を示すエネルギースペクトルを導出する。
• 1ループフェルミオン寄与による放射修正によるCSベクトル Δημ を計算し、正則化手法に依存しないことを示す。
• 整合性条件として、光子の量子化には空間的 ημ が、フェルミオンの量子化には時間的 bμ が必要であり、完全なダイナミカルベクトルにおける正確なキャンセレーションが必要であることを評価する。
• 電波の二重屈折、水素メーザー、トーションパendulum からの実験的制約を用いて、ημ および bμ の成分を制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QEDにおける自発的 CPTおよびローレンツ対称性の破れが、光子の二重屈折や電子の質量分裂といった観測可能な効果を引き起こす可能性があるか？
• RQ2 CPT-奇性のチェーン＝シモンズ項および軸性ベクトル結合が、光子およびフェルミオンの分散関係に与える影響は何か？
• RQ3 放射修正が有効なCSベクトルをどのように生成するのか？また、微小因果性および実験的制約と整合的か？
• RQ4 ημ および bμ の動的起源は、axionの凝縮または宇宙論的トーション場と関連づけられるか？
• RQ5 CPT破れに起因する新しい物理的過程、例えば高エネルギー電子の崩壊のエネルギースケールの閾値は何か？

主な発見

• CPT-奇性QEDにおける光子分散関係は二重屈折を示し、偏光に応じて2つの質量ゼロモードと2つの質量を持つモードが存在し、伝搬中に偏光が回転する。
• 空間的成分のCSベクトルに対する上限は、遠方銀河からの電波観測から |η| ≤ 10−32 eV として導出された。
• 時間的軸性ベクトル bμ により電子ヘリシティ質量分裂が生じ、電子質量測定から |b₀| < 10−2 eV の制約が得られた。
• エネルギーが M ≈ m²/(2|b₀|) ≈ 10² TeV 以上になると、高エネルギー電子が低エネルギー電子および e⁺e⁻ 状態に崩壊する可能性があり、物理的運動量カットオフが課される。
• 放射修正によるCSベクトル Δημ = (2α/π)∑bᵃμ は一意に決定され、正則化手法に依存せず、実験的制約から |Δη| < 10−19 eV と推定された。
• 光子およびフェルミオンの整合的量子化には、特に時間方向において、ημ と Δημ の成分の正確なキャンセレーションが必要であり、微小因果性および実験的制約を満たすために不可欠である。