[论文解读] Preon models, relativity, quantum mechanics and cosmology (I)

Luis Gonzalez‐Mestres|ArXiv.org|Aug 27, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 49被引用 12

一句话总结

本文提出超光速子假说——即构成标准模型粒子的轻子（preons）以超光速运动，并经历一种修正的时空结构——作为重新表述基础物理的框架。该理论认为，此类粒子可能通过从超光速子时代向普通物质的转变，解释暗物质、暗能量及宇宙暴胀，同时违反洛伦兹对称性，并在普朗克尺度物理中挑战能量-动量守恒与量子力学的普遍性。

ABSTRACT

Preons are hypothetic constituents of the standard particles. They were initially assumed to have basically similar properties to those of conventional matter. But this is not necessarily the case: the ultimate constituents of matter may feel a different space-time from that of special relativity and exhibit mechanical properties different from those predicted by standard quantum mechanics. They can also play an important cosmological role (inflation, dark matter, dark energy...). It is even not obvious that energy and momentum would have to be conserved in such a scenario. In this series of papers, we review the subject using the superbradyon model as an example, and suggest new ways to explore possible tests of the preon hypothesis.

研究动机与目标

• 探究是否存在具有与狭义相对论和标准量子力学预测截然不同的性质的轻子（构成标准模型粒子的假设组分）。
• 探讨假设的超光速子时代在宇宙学中的影响，其中速度超过光速（$c_s \gg c$）的粒子主导了早期宇宙的演化。
• 通过基于轻子动力学的新物理框架，挑战在普朗克尺度下基本对称性与守恒定律（如洛伦兹不变性、能量-动量守恒）的普遍性。
• 提出常规粒子可能作为超光速子凝聚真空中的低能激发态出现，类似于固体中的声子，从而为引力与规范相互作用提供新视角。
• 提出可检验的物理解释信号，包括超高能宇宙射线及异常的电子/正电子通量，作为超光速子残余存在的潜在证据。

提出的方法

• 采用超光速子模型作为理论框架，其中轻子具有临界速度 $c_s \gg c$，导致具有新基本长度 $a$ 的修正洛伦兹型对称性。
• 引入变形相对论运动学（DRK）以描述超光速子的动力学，导致引力的有效爱因斯坦-希尔伯特作用量中出现高阶导数项。
• 通过切伦科夫辐射样过程与束缚态形成，建模从超光速子相到普通物质的转变，产生压强与有效能量密度。
• 提出物理真空源于超光速子凝聚，常规粒子在该介质中表现为集体激发（如声子或孤子）。
• 使用鱼网图技术与拓扑展开，将超光速子动力学与标准粒子的弦状有效理论联系起来。
• 探讨局域规范对称性与相互作用如何作为超光速子框架中真空自由度的后果而出现。

实验结果

研究问题

• RQ1 轻子能否具有临界速度 $c_s \gg c$，从而导致在普朗克尺度下违反洛伦兹对称性的新时空结构？
• RQ2 从超光速子时代向普通物质的转变，如何在不依赖标准标量暴胀子机制的情况下解释宇宙暴胀？
• RQ3 超光速子残余及其真空凝聚在多大程度上可解释观测到的暗物质与暗能量？
• RQ4 若常规粒子为复合结构，源于更深层的轻子动力学，对能量与动量守恒有何影响？
• RQ5 超光速子诱导的效应能否重现观测到的宇宙射线能谱，包括来自PAMELA、ATIC、Fermi LAT与HESS的异常？

主要发现

• 超光速子假说导致具有基本长度 $a$ 的变形相对论运动学（DRK）结构，通过高阶导数项修改有效爱因斯坦-希尔伯特作用量。
• 从超光速子物质向普通物质的转变可产生快速压强增加，无需标量暴胀子场即可模拟宇宙暴胀效应。
• 真空中超光速子凝聚可自然产生一个特权参考系（VRF），类似于固体中的声速，从而以动力学方式解释观测到的洛伦兹对称性破缺（LSV）。
• 诸如超高能宇宙射线与异常电子/正电子通量（如来自PAMELA、ATIC、Fermi LAT的观测）等物理解释信号，可源自超光速子残余的切伦科夫辐射。
• 该模型表明，常规粒子可能作为超光速子真空中的低能激发态出现，规范相互作用与引力则源于该底层介质的局域自由度。
• 由超光速子框架导出的修正引力理论可重现混沌暴胀动力学，表明非局域或高阶导数引力可能是轻子尺度物理的自然结果。