[论文解读] Testing Lorentz Invariance Violation in Quantum Gravity Theories

H. Vucetich|ArXiv.org|Feb 22, 2005

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 20被引用 11

一句话总结

本文研究了量子引力理论中洛伦兹对称性自发性破缺（Lorentz invariance violation, LIV）的问题，特别是在环量子引力和弦理论中，LIV 预言出现在普朗克尺度。研究证明，辐射修正（圈图效应）会产生大而有限的 LIV 贡献，其量级为一阶，除非施加极端精细调节的反项，这给具有自发洛伦兹对称性破缺的可行量子引力模型带来了严重的理论挑战。

ABSTRACT

Much research has been done in the latter years on the subject of Lorentz violation induced by Quantum Gravity effects. On the theoretical side it has been shown that both Loop Quantum Gravity and String Theory predict that Lorentz violation can be induced at an energy near to the Planck scale. On the other hand, most of the experimental results in the latter years, have confirmed that the laws of physics are Lorentz invariant at low energy with very high accuracy. The inclusion of one- and two-loop contributions from a Lorentz violating Lagrangian dramatically change the above picture: the loop momenta run into the Planck scale and above and from the "divergent" terms finite Lorentz violating contributions of order one arise. These can be suppressed through suitable counterterms in the Lagrangian, originating a strong fine tuning problem. A brief discussion of these issues and their possible influence in future research follows.

研究动机与目标

• 评估洛伦兹对称性破缺（LIV）在量子引力中的可行性，特别是在环量子引力和弦理论中的情况。
• 分析高能尺度下预测的洛伦兹对称性破缺效应在量子圈修正下的影响。
• 评估实验上对 LIV 的限制是否能与在高能下破缺洛伦兹对称性的理论模型相协调。
• 识别通过辐射修正诱导 LIV 时产生的理论与实验约束。
• 探讨是否存在一种基本机制，可在普朗克尺度洛伦兹对称性破缺的前提下，保护低能区的洛伦兹对称性。

提出的方法

• 分析拉格朗日量中包含洛伦兹破缺项的有效场论，特别是涉及色散关系修改的理论。
• 应用量子场论技术，计算洛伦兹破缺理论中的一圈和两圈修正。
• 评估从普朗克尺度运行至高能的圈积分的发散结构，导致有限且显著的 LIV 贡献。
• 引入反项以抑制发散的 LIV 项，但表明这需要极端精细调节。
• 将理论预测与 Hughes-Drever 实验、伽马射线暴观测以及宇宙微波背景偶极测量的实验结果进行比较。
• 评估宇宙微波背景静止参考系作为检测 LIV 的候选优选参考系的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在环量子引力和弦理论等量子引力模型中一致地嵌入普朗克尺度的洛伦兹对称性破缺？
• RQ2 在洛伦兹破缺的有效场论中包含一阶和两阶圈量子修正会产生何种影响？
• RQ3 来自 Hughes-Drever 实验和伽马射线暴观测等实验对 LIV 的限制，在多大程度上约束了洛伦兹破缺拉格朗日量的参数？
• RQ4 是否可能在普朗克尺度洛伦兹对称性破缺的量子引力模型中，实现低能区的洛伦兹对称性，而无需精细调节？
• RQ5 是否存在一个优选参考系（如 CMB 静止参考系）可作为探测普朗克尺度 LIV 的可行实验通道？

主要发现

• 洛伦兹破缺理论中的一圈和两圈修正会产生有限且一阶量级的洛伦兹破缺贡献，与实验观测结果矛盾。
• 这些显著的 LIV 效应只能通过引入需要极端精细调节的反项来抑制，其严重程度与层次问题相当。
• Hughes-Drever 实验的实验限制将光速的相对差异约束在 10^-20 以下，从而排除了朴素的 LIV 模型。
• 通过修改色散关系（例如 v(E) ≠ c）在树图层次预测的 LIV 已被高精度实验排除，除非其被普朗克尺度的幂次抑制。
• 圈修正的引入使 LIV 问题转化为新的精细调节问题，使洛伦兹对称性与宇宙学常数问题和 Higgs 层次问题处于同等地位。
• 在普朗克尺度破缺洛伦兹对称性的理论模型必须引入一种机制（如守护对称性）来保护低能区的洛伦兹对称性，尽管目前尚无已知的此类对称性。