[논문 리뷰] Nonlocality as an Explanation for Finetuning and Field replication in Nature

D. L. Bennett, C.D. Froggatt외 1명|ArXiv.org|1995. 04. 12.

Philosophy and History of Science인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 비국소적 상호작용—특히 모든 시공간 점들 사이의 재매개변수 불변성과 장거리 결합—이 기본 상수의 관측된 미세조정과 페르미온 및 보손의 세 세대 복제를 설명한다고 제안한다. 격자 양자장 이론 프레임워크에서 다중 임계점 임계성을 강제함으로써, 모델은 플랑크 스케일으로 외삽했을 때 표준모형 결합 상수를 실험 값의 7–10% 이내로 예측하며, 우주상수의 소소함, 힉스 보손 질량 계층, CP 보존, 게이지 군의 구조를 통합적으로 설명한다.

ABSTRACT

Constants of Nature that have nongeneric values pose a riddle often referred to as the finetuning problem. The conspicuous values assumed by many physical constants (e.g., the vanishing effective cosmological constant, the smallness of the Higgs mass compared to the Planck scale, the finestructure constants, $Θ_{QCD}$) seem to coincide with values that are obtained if one assumes that Nature in general seeks out multiple point values for intensive parameters. Multiple point values would occur in the presence of many coexisting phases. Such coexistence could be enforced by having fixed but not finetuned amounts of extensive quantities. We show that universally fixed amounts of extensive quantities is tantamount to having long range nonlocal interactions of a special type: these interactions are identical between fields at all pairs of spacetime points regardless of the spacetime distance between them. Such omnipresent nonlocal interactions, which can be described by a very general form of a reparameterization invariant action, would not be perceived as ``action at a distance'' but rather most likely incorporated into our theory as constants of Nature. Hence one can speculate that this mild form of nonlocality is the underlying explanation of Nature's affinity for the multiple point. We also speculate that nonlocal effects, described by fields depending on two spacetime points, may be responsible for the replication of the fields in three generations. Such a nonlocal mechanism would also triple the number of boson fields, as in the antigrand unification model. We briefly review the multiple point predictions for the three fine structure constants and the resolution of the quark-lepton mass hierarchy problem in this antigrand unified extension of the Standard Model.

연구 동기 및 목표

• 다중 임계점에 기반한 메커니즘을 제안하여, 작은 우주상수나 힉스 질량과 같은 기본 상수의 미세조정 문제를 해결한다.
• 비국소적 장 상호작용과 자발적 재매개변수 불변성의 위반으로 인해 쿼크, 렙톤, 게이지 보손의 삼중 복제가 발생함을 설명한다.
• 비국소성과 상의 공존에 기반한 단일 이론적 프레임워크 안에서, 우주상수, 힉스 질량, CP 위반, 미세구조 상수의 다수의 미세조정 문제를 통합한다.
• 저에너지에서 표준모형이 대각 부분군으로서 나타나는 SMG³ 게이지 군을 갖는 반-대통합 모델에 대한 이론적 기반을 제공한다.

제안 방법

• 초기 우주에서 고정된, 미세조정되지 않은 광범위한 양(예: 보존된 목, 에너지, 부피에 해당)이 여러 상의 공존을 유도하여 다중 임계점 임계성을 강제한다.
• 모든 시공간 쌍이 거리에 관계없이 동일하게 상호작용하는 재매개변수 불변성의 비국소적 작용을 도입하여, 보편적인 결합 상수를 강제한다.
• 표준모형 게이지 군 SMG를 SMG³의 대각 부분군으로 모델링하며, 각 세대가 SMG 군의 복제로 대응한다.
• 일반 플라켓트 작용을 사용한 격자 양자장 이론을 통해 모든 상이 만날 수 있는 다중 임계점 식별하고, 결합 상수의 임계값 예측.
• 저에너지의 미세구조 상수를 플랑크 스케일로 외삽하기 위해 디제르트 시나리오를 적용하고 예측값과 비교.
• 두 시공간 점에 의존하는 비국소적 장이 재매개변수 불변성의 자발적 위반을 일으켜, 모든 장의 삼중 복제를 자연스럽게 생성함을 제안.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비국소적 상호작용은 왜 기본 상수가 우연치 않은, 일반적이지 않은 값(예: 작은 우주상수나 힉스 질량)을 갖는지 설명할 수 있는가?
• RQ2 자연에서 페르미온과 게이지 보손의 삼중 복제가 기본 대칭성 또는 역학적 메커니즘으로서 어떻게 발생할 수 있는가?
• RQ3 비국소적 장 이론의 상도에서 관측된 미세구조 상수의 값은 임계점에 의해 예측될 수 있는가?
• RQ4 비국소 이론에서 여러 상의 공존이 자연스럽게 우주상수의 영멸과 강한 CP 위반을 초래하는가?
• RQ5 SMG³ 게이지 군을 갖는 반-대통합 모델은 비국소 역학과 다중 임계점 임계성과 일관된가?

주요 결과

• 디제르트 시나리오를 사용해 플랑크 스케일으로 외삽했을 때, 모델은 세 개의 미세구조 상수를 실험 값과 7–10% 이내로 매우 정확하게 예측한다.
• 복잡화된 우주상수의 영멸은 고정된 광범위한 양에 의해 강제된 다중 임계점 임계성의 결과로 설명된다.
• 작은 힉스 질량과 쿼크 및 렙톤 질량의 계층은 동일한 임계점 메커니즘으로 설명되어, 미세조정이 필요 없다.
• 모델은 린데-바이너그 힉스 질량 약 8 GeV와 톰 쿼크 질량 90 GeV 이하를 예측하여 린데-바이너그 조건을 유지한다.
• 두 시공간 점에 의존하는 비국소적 장은 재매개변수 불변성의 자발적 위반을 일으켜, 보손을 포함한 모든 장의 삼중 복제를 자연스럽게 생성한다.
• SMG³ 게이지 군 모델은 3종의 포톤, 3종의 W⁺, 3종의 W⁻, 3종의 Z⁰, 24개의 글루온과 추가적인 힉스 유사 상태를 예측하며, 이는 장의 복제와 일관된다.