[论文解读] Looking for Lorentz violation with gravitational waves

Marco Schreck|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2016

Advanced Differential Geometry Research参考文献 39被引用 5

一句话总结

本文利用引力波信号研究费米子场中的洛伦兹对称性破坏，建模了一种CPT奇异性、质量维度为1的矢量场，该场导致大质量粒子轨迹发生偏离。在该框架下，对测地线方程的数值解表明，此类效应在激光干涉实验中可被探测；LIGO观测到的引力波事件中未发现此类效应，从而为费米子场中的洛伦兹对称性破坏设定了新约束。

ABSTRACT

The current letter has been inspired by the recent direct detection of gravitational waves reported by Advanced LIGO. In this context, a particular Lorentz-violating framework for classical, massive particles is on the focus. The latter is characterized by a preferred direction in spacetime comprised of CPT-odd components with mass dimension 1. Curvature eects in spacetime, which are caused by a propagating gravitational wave, are assumed to deform the otherwise constant background eld. In accordance with spontaneous Lorentz violation, a particular choice for the vector eld is taken, which was proposed elsewhere. The geodesic equations for a particle that is subject to this type of Lorentz violation are obtained. Subsequently, their numerical solutions are computed and discussed. The particular model considered leads to changes in the particle trajectory, which interferometric gravitational-wave experiments could be sensitive for. Since such eects have not been observed in the gravitational-wave event measured by LIGO we obtain a new constraint on Lorentz violation in the fermion sector. Finally, we will make a couple of statements with regards to explicit Lorentz violation and Finsler geometry in the context of gravitational-wave physics.

研究动机与目标

• 利用引力波观测探讨费米子场中洛伦兹对称性破坏的物理含义。
• 将CPT奇异性、质量维度为1的矢量场建模为时空中自发洛伦兹对称性破坏的来源。
• 计算并分析在存在此类洛伦兹对称性破坏背景时，引力波引起的粒子轨迹偏离。
• 利用LIGO引力波事件中未观测到此类偏离的现象，推导洛伦兹对称性破坏的观测约束。
• 讨论显式洛伦兹对称性破坏与引力波物理中芬斯勒几何之间的联系。

提出的方法

• 采用一种包含CPT奇异性、质量维度为1的矢量场的洛伦兹对称性破坏框架，与自发洛伦兹对称性破坏相容。
• 在引力波引起的弯曲时空背景下，推导受该矢量场影响的宏观粒子的测地线方程。
• 数值求解修改后的测地线方程，以计算洛伦兹对称性破坏场作用下的粒子轨迹。
• 评估此类轨迹偏离在激光干涉引力波实验（如LIGO）中是否可被探测。
• 利用LIGO事件中未观测到此类偏离的现象，约束洛伦兹对称性破坏矢量场的大小。
• 在引力波传播的背景下，讨论显式洛伦兹对称性破坏与芬斯勒几何之间的理论联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量维度为1的洛伦兹对称性破坏矢量场如何影响引力波背景中大质量粒子的轨迹？
• RQ2 此类洛伦兹对称性破坏可能在激光干涉引力波探测器中产生何种可观测信号？
• RQ3 LIGO引力波事件中未观测到轨迹偏离，能在多大程度上约束费米子场中洛伦兹对称性破坏的强度？
• RQ4 通过CPT奇异性矢量场实现的自发洛伦兹对称性破坏，与引力波物理中时空的几何结构有何关联？
• RQ5 芬斯勒几何在描述引力波系统中显式洛伦兹对称性破坏方面可能发挥何种作用？

主要发现

• 该模型预测，当粒子暴露于引力波时，由于洛伦兹对称性破坏，其轨迹会出现可测量的偏离。
• 修改后测地线方程的数值解证实，此类轨迹偏离对洛伦兹对称性破坏矢量场的强度高度敏感。
• LIGO引力波事件中未观测到偏离，为费米子场中洛伦兹对称性破坏矢量场的大小设定了新的上限。
• 结果表明，激光干涉引力波实验对某些类型的洛伦兹对称性破坏敏感，尤其在费米子场中。
• 该框架建立了自发洛伦兹对称性破坏与芬斯勒几何之间的联系，暗示显式洛伦兹对称性破坏在引力波物理中可能存在几何解释。
• 本研究利用真实的引力波数据，建立了对洛伦兹对称性破坏的新约束，推动了标准模型之外新物理的探索。