[論文レビュー] Topics in particle physics and cosmology beyond the standard model

Alejandro Jenkins|ArXiv.org|Jul 29, 2006

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 10被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、標準模型を超えた素因数物理学のモデルを調査しており、長距離相互作用が自発的 Lorentz 対称性の破れから生じるゴードストーン粒子によって媒介されるものである。このモデルは Weinberg-Witten 定理を回避し、宇宙定数問題や線形重力の非可重整化性の解決策を提供する。主な結果は、これらのゴードストーンモードの低エネルギー有効理論がアインシュタイン重力に最小に結合されており、修正されたニュートンの万有引力則と超高エネルギー宇宙線からの重力的チェレノフ放射という観測可能なシグナルをもたらす。

ABSTRACT

We review the interpretation of gauge invariance as a mathematical redundancy required in a relativistic description of forces mediated by massless spin-1 and spin-2 particles. In this context we also review the Weinberg-Witten theorem and its implications. This leads us to consider a class of models in which long-range interactions are mediated by Goldstone bosons of spontaneous Lorentz violation. Since the Lorentz symmetry is realized non-linearly in the Goldstones, these models could evade the Weinberg-Witten theorem and the need for gauge invariance. In the case of gravity, the broken symmetry would protect the theory from having non-zero cosmological constant, while the compositeness of the graviton could provide a solution to the perturbative non-renormalizability of gravity. We also consider the phenomenology of spontaneous Lorentz violation by a vector VEV and the experimental limits thereon. We find the general low-energy effective action of the Goldstones of this kind of symmetry breaking minimally coupled to gravity. We compare this to the ghost condensate that has been proposed as a model for gravity in a Higgs phase. We then summarize the cosmological constant problems and show that models in which a scalar field causes super-acceleration of the universe generally exhibit instabilities. We discuss how the equation of state evolves in a universe where the dark energy is caused by the ghost condensate. We comment on the anthropic argument for a small cosmological constant and how it is weakened if the inflaton self-coupling varies over the landscape of possible universes. Finally, we discuss the reverse sprinkler, a problem in elementary fluid mechanics that had eluded a definitive treatment for decades.

研究の動機と目的

• 自発的 Lorentz 対称性の破れを活用することで、局所ゲージ不変性を必要としない長距離相互作用の代替的メカニズムを探索すること。
• 破れた Lorentz 対称性に由来するゴードストーン粒子の低エネルギー有効場理論を構築し、重力と結合させること。
• ニュートンの法則のずれと超高エネルギー宇宙線からの重力的チェレノフ放射から、こうしたモデルに対する観測的制約を導出すること。
• 提案されたモデルをギャラクシー・コンデンゲート機構と比較し、ヒッグス相における重力理論としての妥当性を評価すること。
• 宇宙定数問題と、特にギャラクシー・コンデンゲートを含む超加速的ダークエネルギーモデルの安定性を分析すること。

提案手法

• 破れた対称性の非線形実現を用いて、自発的 Lorentz 対称性の破れから生じるゴードストーン粒子の一般的な低エネルギー有効作用を導出する。
• 相対論的量子場理論の形式を適用し、質量ゼロの粒子の記述において局所ゲージ不変性と微分同相変換不変性が冗長性として現れることを示す。
• Weinberg-Witten 定理を用いてスピン > 1/2 の質量ゼロの粒子は局所対称性を必要とするが、Lorentz 対称性の破れから生じるゴードストーンモードがこの制約を回避できることを示す。
• グルーオンが複合粒子であり、宇宙定数が破れた Lorentz 対称性によって保護されるモデルを構築する。
• ニュートンの法則への補正と高エネルギー宇宙線からの重力的チェレノフ放射の生成率を計算することで、現象論的制約を評価する。
• 有効理論をギャラクシー・コンデンゲートモデルと比較し、重力のヒッグス相における力学的性質の類似点と相違点を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自発的 Lorentz 対称性の破れから生じるゴードストーン粒子が、局所ゲージ不変性を必要とせずに長距離相互作用を媒介できるか？
• RQ2 Lorentz 対称性の破れに起因するゴードストーンモードの低エネルギー力学は、重力にどのように修正を加え、ニュートンの法則からの観測可能なずれを引き起こすか？
• RQ3 超高エネルギー宇宙線からの重力的チェレノフ放射は、Lorentz 対称性の破れモデルに対するどのような制約をもたらすか？
• RQ4 ギャラクシー・コンデンゲート機構は、ヒッグス相における重力の記述において、提案されたゴードストーンに基づくモデルとどのように比較できるか？
• RQ5 こうしたモデルは、宇宙定数問題および超加速的ダークエネルギーシナリオの安定性にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 自発的 Lorentz 対称性の破れに由来するゴードストーン粒子の低エネルギー有効理論は、アインシュタイン重力に最小に結合されており、ニュートンの法則への補正と重力放射の過程の修正をもたらす。
• 超高エネルギー宇宙線からの重力的チェレノフ放射は、モデルの特定のパrameter領域を排除する強力な観測的制約を提供する可能性がある。
• ゴードストーンモードが Lorentz 対称性の下で非線形に変換されることにより、Weinberg-Witten 定理の仮定が破れ、この定理の制約を回避できる。
• Lorentz 対称性の非線形実現のおかげで、宇宙定数が二次的発散から保護され、階層問題の解決策となる可能性がある。
• ギャラクシー・コンデンゲートをダークエネルギーとして持つモデルは、null energy condition の違反と関連する不安定性を示し、状態方程式パラメータ $ w = p/\rho $ が $ w \to -1 $ に近づく。
• 多宇宙のランドスケープにおいて初期密度揺らぎの振幅を変動可能とすると、小さな宇宙定数に対する人間中心的議論は弱まる。