[논문 리뷰] Topics in particle physics and cosmology beyond the standard model

Alejandro Jenkins|ArXiv.org|2006. 07. 29.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 10인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 표준모형을 초월한 기본물리학 모델을 조사한다. 여기서 장거리 상호작용은 자발적 로렌츠 대칭 위반에 의해 생성된 골드스톤 보손이 매개하며, 위임버그-위텐 정리에서 벗어나고, 우주론적 상수 문제와 선형 중력의 비재규격화 문제에 대한 잠재적 해결책을 제공한다. 주요 결과는 이러한 골드스톤 모드에 대한 저에너지 유도 이론으로, 아인슈타인 중력과 최소로 결합되어 있으며, 수정된 뉴턴 중력 법칙과 초고에너지 간성우선에서의 중력 체렌코프 복사와 같은 관측 가능 서명을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자발적 로렌츠 대칭 위반을 활용하여 국소 게이지 대칭이 필요 없이 위임버그-위텐 정리를 우회하는 장거리 상호작용의 대체 메커니즘을 탐색한다.
• 파괴된 로렌츠 대칭으로부터 유도된 골드스톤 보손에 대한 저에너지 효과 이론을 구축하고, 중력과 결합한다.
• 뉴턴 법칙의 편차와 초고에너지 간성우선에서의 중력 체렌코프 복사에서 유도된 관측 제약 조건을 유도한다.
• 제안된 모델을 고스트 콘덴세이트 메커니즘과 비교하고, 힉스 상에서 중력 이론으로서의 타당성을 평가한다.
• 우주론적 상수 문제와 초가속화 어두운 에너지 모델의 안정성, 특히 고스트 콘덴세이트를 포함한 모델을 분석한다.

제안 방법

• 자발적 로렌츠 대칭 위반에서 유도된 골드스톤 보손에 대한 일반적인 저에너지 효과 작용을 비선형 대칭 위반 표현을 사용하여 유도한다.
• 상대론적 양자장 이론의 형식을 적용하여, 질량이 없는 입자 기술에서 국소 게이지 불변성과 미분형 불변성이 임의성으로 나타남을 보여준다.
• 위임버그-위텐 정리를 적용하여 스핀 > 1/2의 질량이 없는 입자는 국소 대칭이 필요하지만, 로렌츠 대칭 위반에서 유도된 골드스톤 모드가 이 제약 조건을 우회함을 보여준다.
• 중력자(그라비톤)가 복합 입자이고, 우주론적 상수가 파괴된 로렌츠 대칭으로 인해 보호되는 모델을 구성한다.
• 뉴턴 법칙의 수정 보정과 고에너지 간성우선에서의 중력 체렌코프 복사율 계산을 통해 현상학적 제약 조건을 평가한다.
• 효과 이론을 고스트 콘덴세이트 모델과 비교하여, 중력의 힉스 상에서의 역학적 유사점과 차이점을 강조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자발적 로렌츠 대칭 위반에서 유도된 골드스톤 보손이 국소 게이지 불변성을 요구하지 않고 장거리 상호작용을 매개할 수 있는가?
• RQ2 로렌츠 대칭 위반에 기인한 골드스톤 모드의 저에너지 역학은 중력에 어떻게 영향을 주며, 뉴턴 법칙의 관측 가능한 편차로 이어지는가?
• RQ3 초고에너지 간성우선에서의 중력 체렌코프 복사로 인한 로렌츠 대칭 위반 모델에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 고스트 콘덴세이트 메커니즘이 중력의 힉스 상을 기술하는 데 있어 제안된 골드스톤 기반 모델과 비교해 볼 때 유사점과 차이는 무엇인가?
• RQ5 이러한 모델은 우주론적 상수 문제와 초가속화 어두운 에너지 시나리오의 안정성에 대해 어떤 함의를 지닌다?

주요 결과

• 자발적 로렌츠 대칭 위반에서 유도된 골드스톤 보손의 저에너지 효과 이론은 아인슈타인 중력과 최소로 결합되어 있으며, 뉴턴 법칙의 수정 보정과 수정된 중력 복사 과정을 유도한다.
• 초고에너지 간성우선에서의 중력 체렌코프 복사로 인한 강력한 관측 제약 조건이 존재하며, 이는 모델의 일부 매개변수 영역을 배제할 수 있다.
• 골드스톤 모드가 로렌츠 대칭에 대해 비선형적으로 변환되기 때문에, 위임버그-위텐 정리의 가정을 위반하여 이 정리에서 벗어나는 것으로 밝혀졌다.
• 비선형적인 로렌츠 대칭 실현으로 인해 우주론적 상수가 제곱 발산으로부터 보호되며, 이는 계층 문제에 대한 잠재적 해결책을 제공한다.
• 고스트 콘덴세이트를 어두운 에너지로 사용하는 모델은 영역 조건 위반과 관련된 불안정성을 보이며, 상태 방정정수 $ w = p/\rho $ 는 $ w \to -1 $ 으로 수렴한다.
• 다양한 다중우주 경로에서 초기 밀도 불안정성의 진폭을 허용할 경우, 작은 우주론적 상수에 대한 인류 중심적 논거는 약화된다.