[论文解读] Lorentz- and CPT-violating extension of the standard model

Alan Kostelecký|ArXiv.org|Dec 28, 1999

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于自发洛伦兹对称性自发破缺的、幂计数可重整化且洛伦兹对称性与CPT对称性破缺的规范理论，该理论保持了规范不变性与能量-动量守恒。它引入了一个通用框架，包含CPT偶性和CPT奇性项，可预测从中性介子振荡到反氢原子光谱学等多种实验中的可观测效应。

ABSTRACT

The formulation and some experimental implications of a general Lorentz-violating extension of the standard model are reviewed. The theory incorporates both CPT-preserving and CPT-breaking terms. It is otherwise a conventional quantum field theory, obtained under the assumption that Lorentz symmetry is spontaneously broken in an underlying model. The theory contains the usual standard-model gauge structure, and it is power-counting renormalizable. Energy and momentum are conserved. Despite the violation of Lorentz symmetry, the theory exhibits covariance under Lorentz transformations of the observer inertial frame. A general Lorentz-violating extension of quantum electrodynamics can be extracted. The standard-model extension implies potentially observable effects in a wide variety of experiments, including among others measurements on neutral-meson oscillations, comparative studies in Penning traps, spectroscopy of hydrogen and antihydrogen, bounds on cosmological birefringence, measurements of muon properties, clock-comparison tests, and observations of the baryon asymmetry.

研究动机与目标

• 开发一个一致的量子场论框架，将洛伦兹对称性与CPT对称性破缺纳入其中，同时保持规范结构与可重整化性。
• 以与已知实验约束相容的方式，探索自发洛伦兹对称性破缺的物理解释。
• 在高精度实验（如潘宁阱测量、光谱学与宇宙双折射）中识别可测量的效应。
• 为在粒子物理与宇宙学多个领域测试洛伦兹对称性破缺提供统一的理论框架。
• 建立一个最小化的标准模型扩展，包含CPT偶性和CPT奇性项，且不破坏能量-动量守恒等基本对称性。

提出的方法

• 通过假设在基础模型中洛伦兹对称性自发破缺，构建一个洛伦兹对称性破缺的量子场论。
• 引入一组作为背景场的洛伦兹对称性破缺系数，通过维度4及以上算符与标准模型场耦合。
• 通过保持标准模型规范结构，确保理论保持幂计数可重整化与规范不变性。
• 推导低能极限下的有效理论，包括洛伦兹对称性破缺的量子电动力学（QED）扩展。
• 分析理论在观察者洛伦兹变换下的变换性质，以在惯性系中保持协变性。
• 利用该框架计算各种实验情境下的可观测效应，如氢/反氢原子能级位移与潘宁阱中的频率位移。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在保持可重整化性与规范不变性的前提下，一致地将洛伦兹对称性与CPT对称性破缺纳入标准模型？
• RQ2 洛伦兹对称性破缺在氢与反氢原子高精度光谱学中的可观测信号是什么？
• RQ3 洛伦兹对称性破缺系数如何影响中性介子振荡与μ子衰变参数？
• RQ4 钟比较实验与宇宙双折射测量能导出哪些约束？
• RQ5 自发破缺的洛伦兹对称性是否能导致一个具有可测试预测的可行有效场论，覆盖多个物理领域？

主要发现

• 该理论为幂计数可重整化理论，尽管存在洛伦兹对称性破缺，仍保持能量-动量守恒。
• 该框架同时包含CPT偶性和CPT奇性项，使得对洛伦兹对称性破缺效应的全面分析成为可能。
• 作为完整模型的子集，推导出了一般性的洛伦兹对称性破缺的量子电动力学扩展。
• 该模型预测了原子能级的可测量位移，尤其在氢与反氢中，可通过高精度光谱学实验检验。
• 钟比较实验与潘宁阱测量对特定洛伦兹对称性破缺系数具有高灵敏度，可提供强约束。
• 宇宙双折射与μ子性质测量为检验该模型的预测提供了额外探测手段。