[논문 리뷰] Lorentz Invariance and Superluminal Particles

Luis Gonzalez‐Mestres|ArXiv.org|1997. 03. 12.

Noncommutative and Quantum Gravity Theories참고 문헌 5인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 라우레츠 불변성이 특정 물질 부문 내에서만 유효한 기원적 대칭일 수 있으며, 각 부문이 진공에서 고유한 임계 속도를 가질 수 있음을 제안한다. 이는 관측된 라우레츠 불변성 위반을 초과하는 초광속 입자를 허용할 수 있다. 이는 대규모 통합 또는 확장된 초대칭에 의해 보호되는 부문별 라우레츠 불변성이 일반(빛속도 c) 입자와 초광속 부문 간의 혼합을 허용하며, 현재의 저에너지 라우레츠 불변성 위반에 대한 경계 조건이 고에너지 초광속 현상이나 宇宙선 또는 가속기에서의 실험적 탐지 가능성을 배제하지 않는다는 것이다.

ABSTRACT

If textbook Lorentz invariance is actually a property of the equations describing a sector of matter above some critical distance scale, several sectors of matter with different critical speeds in vacuum can coexist and an absolute rest frame (the vacuum rest frame, possibly related to the local rest frame of the expanding Universe) may exist without contradicting the apparent Lorentz invariance felt by "ordinary" particles (particles with critical speed in vacuum equal to $c$ , the speed of light). Sectorial Lorentz invariance, reflected by the fact that all particles of a given dynamical sector have the same critical speed in vacuum, will then be an expression of a fundamental sectorial symmetry (e.g. preonic grand unification or extended supersymmetry) protecting a parameter of the equations of motion. We study the breaking of Lorentz invariance in such a scenario, with emphasis on mixing between the "ordinary" sector and a superluminal sector, and discuss with examples the consequences of existing data. The sectorial universality of the value of the high-energy speed in vacuum, even exact, does not necessarily imply that Lorentz invariance is not violated and does not by itself exclude the possibility to produce superluminal particles at accelerators or to find them in experiments devoted to high-energy cosmic rays. Similarly, the stringent experimental bounds on Lorentz symmetry violation at low energy cannot be extrapolated to high-energy phenomena. Several basic questions related to possible effects of Lorentz symmetry violation are discussed, and potential signatures are examined.

연구 동기 및 목표

• 라우레츠 불변성이 기본적이지 않고 특정 물질 부문 내에서 기원할 수 있다는 가능성을 조사하는 것.
• 초광속 입자가 현재의 라우레츠 불변성 위반에 대한 실험적 경계 조건과 모순되지 않게 일반 물질과 공존할 수 있는 방법을 탐색하는 것.
• 기존 데이터가 초광속 입자의 존재나 고에너지 실험에서의 생성을 제약하는지 평가하는 것.
• 고에너지 역학에서 진공 속도의 보편성에 대해 부문별 대칭성(예: 프리온 대규모 통합 또는 확장된 초대칭)이 미치는 영향을 검토하는 것.
• 왜 저에너지 라우레츠 불변성 경계 조건이 초광속 부문을 포함한 고에너지 현상에까지 외삽될 수 없는지 명확히 하는 것.

제안 방법

• 라우레츠 불변성이 특정 물질 부문을 지배하는 방정식의 성질이자 보편적 대칭이 아니라는 프레임워크를 제안한다.
• 지역적 우주의 팽창과 연결된 선호 기준프레임(진공 정지 기준프레임) 개념을 도입하여 부문별 대칭성의 기초를 제공한다.
• 효과적 장 이론 기법을 사용하여 일반 부문(c-속도 입자)과 초광속 부문(임계 속도 > c인 입자) 간의 혼합을 분석한다.
• 라우레츠 불변성이 기본 수준에서 위반되더라도, 고에너지 진공 속도의 부문별 보편성이 대칭 보호 메커니즘으로 작용할 수 있음을 적용한다.
• 기존의 라우레츠 위반에 대한 실험적 경계 조건을 활용하여 가능한 초광속 입자 결합 상수와 생성률을 제약한다.
• 이 부문 기반 모델 하에서 고에너지 우주선 실험과 입자 가속기에서의 잠재적 관측 신호를 검토한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저에너지 실험에서 관측되는 라우레츠 불변성과 모순되지 않으면서 자연계에 초광속 입자가 존재할 수 있는가?
• RQ2 예를 들어 프리온 대규모 통합 또는 확장된 초대칭과 같은 부문별 대칭성이 고에너지 역학에서 진공 속도의 보편성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기본 수준에서 라우레츠 불변성이 깨지더라도 일반 물질 부문에서 불변성의 모습을 유지할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ4 왜 라우레츠 위반에 대한 엄격한 저에너지 경계 조건이 고에너지에서의 초광속 현상 가능성까지 배제하지 않는가?
• RQ5 우주선 또는 가속기 실험에서 초광속 부문을 표준모형 물리학과 구별할 수 있는 관측 가능한 징후는 무엇인가?

주요 결과

• 라우레츠 불변성이 기본적으로 위반되더라도 각 부문이 진공에서 보편적인 임계 속도를 가진다면, 물질 부문 내에서 효과적인 대칭으로 작용할 수 있다.
• 선호 진공 정지 기준프레임이 존재하더라도, 저에너지에서 오직 일반 부문(c-속도 입자)만 측정된다면 관측된 라우레츠 불변성과 모순되지 않는다.
• 고에너지 진공 속도의 부문별 보편성은 기본적인 라우레츠 불변성을 의미하지 않으며, 초광속 입자의 존재 가능성도 배제하지 않는다.
• 기존의 저에너지 라우레츠 위반 경계 조건은 고에너지 현상에까지 외삽할 수 없으며, 초광속 입자의 생성 또는 탐지 가능성은 여전히 열려 있다.
• 일반 부문과 초광속 부문 간의 혼합은 저에너지에서 억제되더라도 고에너지 우주선 실험 또는 입자 가속기에서 관측 가능한 효과를 초래할 수 있다.
• 프리온 대규모 통합 또는 확장된 초대칭을 포함하는 이론적 모델은 부문별 라우레츠 불변성을 자연스럽게 보호하면서도 초광속 역학을 허용할 수 있다.