[논문 리뷰] Properties of a possible class of particles able to travel faster than light

Luis Gonzalez‐Mestres|ArXiv.org|1995. 05. 25.

Experimental and Theoretical Physics Studies참고 문헌 1인용 수 19

한 줄 요약

논문은 빛보다 빠르게 운동하는 초광속 입자(타키온이 아닌)의 이론적 프레임워크를 제안한다. 이 입자들은 고유의 미링크로프스키 유사 시공간에서 레이저 불변성을 따르며, 임계 속도 $ c_1 > c $ 를 가진다. 이에 따라 $ v > c $ 인 경우 진공 체렌코프 방사선을 발생시킨다. 이 시나리오는 초광속 부문의 상대론적 운동학을 유지하면서도 일반 물질과의 약한 결합과 암흑물질, 초기 우주 역학 등 우주론적 영향을 허용한다.

ABSTRACT

The apparent Lorentz invariance of the laws of physics does not imply that space-time is indeed minkowskian. Matter made of solutions of Lorentz-invariant equations would feel a relativistic space-time even if the actual space-time had a quite different geometry (i.e. a galilean space-time). A typical example is provided by sine-Gordon solitons in a galilean world. A "sub-world" restricted to such solitons would be "relativistic", with the critical speed of solitons playing the role of the speed of light. Only the study of the deep structure of matter will unravel the actual geometry of space and time, which we expect to be scale-dependent and determined by the properties of matter itself. If Lorentz invariance is a property of equations describing a sector of matter at a given scale, an absolute frame (the "vacuum rest frame") may exist without contradicting the minkowskian sctructure of the space-time felt by ordinary particles. But c, the speed of light, will not necessarily be the only critical speed in vacuum: for instance, a superluminal sector of matter may exist related to new degrees of freedom not yet discovered experimentally. Such particles would not be tachyons: they may feel a different minkowskian space-time with a critical speed larger than c and behave kinematically like ordinary particles apart from the difference in critical speed. At speed larger than c , they are expected to release "Cherenkov" radiation (ordinary particles) in vacuum. We present a discussion of possible physical (theoretical experimental) and cosmological implications of such a scenario, assuming that the superluminal sector couples weakly to ordinary matter.

연구 동기 및 목표

• 임계 속도 $ c_1 > c $ 를 가진 초광속 입자 부문이 상대론적 불변성의 프레임워크 내에서 존재할 수 있는 이론적 가능성 탐색.
• 이러한 입자들이 반드시 민코프스키 기하학이 아닌 척도에 따라 변하는 더 깊은 시공간 기하학에서 유래할 수 있는지 조사.
• 약한 결합을 가진 초광속 부문의 우주론적 및 입자물리적 영향 분석, 암흑물질 후보 및 초기 우주의 역학 포함.
• 실험적 서명, 예를 들어 진공 체렌코프 방사선 및 고에너지 가속기 또는 저에너지 핵물리학에서의 이례적 사건 평가.
• 반사적 보정과 양자장이론 원리에 대한 일관성과 함께, 이 이중 부문 모델이 양자역학적 보정에 안정적으로 유지되는지 평가.

제안 방법

• 초광속 입자가 임계 속도 $ c_1 > c $ 를 가진 d'Alembert 방정식을 만족하는 장 이론 모델을 수립하며, 이는 갈릴레이 기준에서 수정된 파동 방정식에서 유도된다.
• 사인-고론 솔리톤 모델을 유사한 사례로 활용: 갈릴레이 시공간 내 솔리톤은 효과적인 속도 제한 $ c_o $ 를 가진 상대론적 운동학을 나타내며, 이는 비상대론적 역학에서 상대론적 불변성이 유도될 수 있음을 시사한다.
• 두 번째 물질 부문을 $ c_1 $ 를 임계 속도로 하는 클라인-고르던 유사 방정식에 따라 정의하며, 이는 별개의 미링크로프스키 유사 시공간 기하학을 이끈다.
• 진공 체렌코프 방사선 분석: $ v > c $ 인 초광속 입자는 진공에서 일반 입자(예: 광자)를 방출하며, 이는 그들의 정지 프레임에서 넓고 거의 등방성인 방출 패tern을 형성한다.
• 중력 결합을 고려: 새로운 '중력자'가 속도 $ c_1 $ 로 운동하며 초광속 부문에 대해 별개의 '중력'을 이끈다. 이는 두 부문 간의 약한 혼합을 유도한다.
• 플랑크 상수 $ h $ 와 각운동량의 보존을 가정하여, 양자수의 일관성을 확보하고 즉각적인 이상 현상 방지를 도모한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임계 속도 $ c_1 > c $ 를 가진 초광속 입자 부문이 상대론적 불변성과 표준 양자장이론과 일치하는가?
• RQ2 이러한 입자들의 관측 가능 서명, 특히 고에너지 실험에서의 진공 체렌코프 방사선은 무엇인가?
• RQ3 이러한 부문의 존재가 대규모 구조 형성과 암흑물질의 성격을 포함한 우주론적 모델에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 초광속 부문과 일반 부문 간의 약한 결합이 부문의 정체성을 유지하고 실험적 갈등을 피하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이러한 이중 부문 모델이 고에너지 영역에서의 반사적 보정과 양자 보정에 대해 안정적으로 유지될 수 있는가?

주요 결과

• 속도 $ v > c $ 인 초광속 입자는 일반 입자(예: 광자)를 진공에서 방출하며, 이는 그들의 정지 프레임에서 넓고 거의 등방성인 방출 패턴을 형성한다.
• 이러한 입자의 체렌코프 임계값은 약간 $ 2mc_1^2 $ 초과에서 발생하며, 방출은 $ E \approx 2mc_1^2(1 + \frac{1}{2}c^2/c_1^2) $ 에서 시작된다. 이는 쌍생성 임계값과 매우 가깝다.
• 초광속 부문은 암흑물질로 우주를 지배할 수 있으며, 잔류 입자는 지하 또는 천체입자 실험에서 검출 가능할 수 있다.
• 초광속 부문 내 중력 상호작용은 속도 $ c_1 $ 로 운동하는 새로운 '중력자'에 의해 매개되며, 일반 중력자(속도 $ c $)와는 구별된다. 이는 부문별 중력 구조를 이끈다.
• 이 모델은 관성 질량과 중력 질량의 등가성이 더 이상 보편적이지 않지만, 각 부문 내에서 근사적으로만 유효하다고 예측한다.
• 이러한 부문의 존재는 각 부문이 자체의 임계 속도 $ c_1 $ 를 가진 미링크로프스키 유사 시공간을 독립적으로 따르므로, 효과적으로 레이저 불변성을 위반하지 않는다.