[논문 리뷰] Background Dependent Lorentz Violation from String Theory

Tianjun Li, Dimitri V. Nanopoulos|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 03.

Noncommutative and Quantum Gravity Theories인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 D3-brane와 D7-brane를 통해 타입 IIB 초끈 이론에서 배경에 의존하는 로렌츠 대칭 위반을 제안하며, 입자 속도의 편차 δv는 에너지와 D3-brane 밀도에 비례하고 끈 스케일에 반비례한다. 이는 10⁵ GeV 수준의 끈 스케일을 가진다. 이는 OPERA와 MINOS 실험에서 관측된 초광속 중성자 결과를 설명하며, 同시에 저밀도의 간성간 D3-brane 밀도 덕분에 MAGIC, HESS, FERMI 실험에서 관측된 고에너지 광자에 대한 에너지 의존성 시간 지연을 설명한다. 이는 천체물리학적 제약 조건을 엄격히 만족한다.

ABSTRACT

We revisit Lorentz violation in the Type IIB string theory with D3-branes and D7-branes. We study the relativistic particle velocities in details, and show that there exist both subluminal and superluminal particle propagations. In particular, the additional contributions to the particle velosity δv\equiv (v-c)/c from string theory is proportional to both the particle energy and the D3-brane number density, and is inversely proportional to the string scale. Thus, we can realize the background dependent Lorentz violation naturally by varying the D3-brane number density in space time. To explain the superluminal neutrino propagations in the OPERA and MINOS experiments, the string scale should be around 10^5 GeV. With very tiny D3-brane number density on the interstellar scale, we can also explain the time delays for the high energy photons compared to the low energy photons in the MAGIC, HESS, and FERMI experiments simultaneously. Interestingly, we can automatically satisfy all the stringent constraints from the synchrotron radiation of the Crab Nebula, the SN1987a observations on neutrinos, and the cosmic ray experiments on charged leptons. We also address the possible phenomenological challenges to our models from the relevant experiments done on the Earth.

연구 동기 및 목표

• OPERA 및 MINOS 실험에서 관측된 이례적인 초광속 중성자 전파를 설명하기 위해.
• MAGIC, HESS, FERMI 실험에서 관측된 고에너지 광자에 대한 에너지 의존성 시간 지연을 설명하기 위해.
• SN1987a, 크래브 성운의 동기복사 방출, 그리고 우주선 실험에서의 천체물리학적 제약 조건과 이러한 현상을 동시에 만족시키기 위해.
• D3-brane 수밀도를 조절 가능한 매개변수로 사용하여 타입 IIB 초끈 이론 내에서 자연스러운 배경에 의존하는 로렌츠 대칭 위반 메커니즘을 제안하기 위해.

제안 방법

• D3-brane와 D7-brane를 포함한 타입 IIB 초끈 이론에서 입자 속도 보정 δv ≡ (v−c)/c를 유도하며, 입자 에너지와 D3-brane 수밀도에 의존함을 보임.
• 관측된 천체물리학적 실험에서의 시간 지연을 일치시키기 위해 매개변수 V_A3, η, ξ를 사용하여 효과적인 양자 중력 스케일 M_QG를 모델링함.
• 스페이스타임 폭의 D-입자 모형을 사용하여 진공 굴절률 효과를 기술하며, 이를 내부 자유도를 가진 초끈 상호작용과 연결함.
• 지구와 간성간 공간에서 서로 다른 D3-brane 수밀도를 조정하여 서로 다른 환경에서의 다른 로렌츠 대칭 위반 효과를 달성함.
• SN1987a, 크래브 성운, 그리고 우주선 데이터에서의 제약 조건을 적용하여 전자 및 뮤온의 δv를 제한함으로써 관측 결과와의 일관성을 확보함.
• 지구 기반 실험(예: LEP, KamLAND)의 도전 과제를 해결하기 위해 지구 내부와 간성간 공간의 진공 특성이 다를 수 있다고 가정함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 D3-brane와 D7-brane를 포함한 초끈 이론 모델이 OPERA 및 MINOS 실험에서 관측된 초광속 중성자 결과를 자연스럽게 설명할 수 있는가?
• RQ2 동일한 모델이 MAGIC, HESS, FERMI 실험에서 관측된 고에너지 광자에 대한 에너지 의존성 시간 지연을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ3 이 모델은 전하 렙톤에 대한 SN1987a 중성자 관측, 크래브 성운의 동기복사 방출, 그리고 우주선 실험에서의 천체물리학적 제약 조건을 어떻게 충족시킬 수 있는가?
• RQ4 관측된 시간 지연을 재현하면서도 지구 기반 실험과 일관성을 유지하기 위해 필요한 끈 스케일과 D3-brane 수밀도는 무엇인가?

주요 결과

• OPERA 및 MINOS 중성자 비정상 현상을 설명하기 위해 필요한 끈 스케일은 약 10⁵ GeV이다.
• 간성간 공간에서 매우 낮은 D3-brane 수밀도를 가질 경우, 이 모델은 MAGIC, HESS, FERMI 실험에서 관측된 고에너지 광자에 대한 시간 지연을 재현한다.
• 간성간 매개변수 (V_A3)^1/3 ≈ 1.9×10⁸ GeV⁻¹, η^IS ≈ 1.6×10⁻⁴⁰, ξ^IS ≈ 2.4×10¹³을 사용하여 효과적인 양자 중력 스케일 M_QG ≈ 0.98×10¹⁸ GeV을 달성한다.
• 이 모델은 자동으로 SN1987a 제약 조건을 충족하며, 15 MeV에서 |δv_ν| ≤ 2×10⁻⁹로 제한되고, 우주선 관측 결과는 전자에 대해 δv_e < 10⁻¹³ 및 δv_e < 10⁻¹⁵를 제약한다.
• FERMI GRB 090510 제약 조건은 관련 방향에서 V_A3^IS를 더 작은 값으로 조정함으로써 M_QG > 1.22×10¹⁹ GeV을 가능하게 하여 설명된다.
• 지구 기반 실험 도전 과제(예: LEP, KamLAND)는 LEP 터널 내 진공이 간성간 진공과 다를 수 있다고 가정함으로써 해결되며, 이는 δv_e가 관측 결과와 일치함을 보장한다.