[论文解读] Topics in particle physics and cosmology beyond the standard model

Alejandro Jenkins|ArXiv.org|Jul 29, 2006

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 10被引用 7

一句话总结

本文研究了标准模型之外的基本物理模型，其中长程相互作用由自发洛伦兹对称性破缺产生的戈尔德斯通玻色子介导，此类模型规避了威纳伯格-惠滕定理，并为宇宙学常数问题以及线性引力的非可重正化性提供了潜在解决方案。关键结果是构建了一个这些戈尔德斯通模式与爱因斯坦引力最小耦合的低能有效理论，其可观测信号表现为修正的牛顿引力和超高能宇宙射线产生的引力切伦科夫辐射。

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.

研究动机与目标

• 探索通过自发洛伦兹对称性破缺实现长程相互作用的替代机制，以规避威纳伯格-惠滕定理。
• 构建由洛伦兹对称性破缺产生的戈尔德斯通玻色子的低能有效场论，并与引力耦合。
• 从牛顿定律的偏离和超高能宇宙射线的引力切伦科夫辐射中推导出对这类模型的观测约束。
• 将所提出的模型与鬼 condensate 机制进行比较，评估其在希格斯相中作为引力理论的可行性。
• 分析宇宙学常数问题以及超加速暗能量模型的稳定性，特别是涉及鬼 condensate 的情形。

提出的方法

• 通过自发洛伦兹对称性破缺的非线性实现方法，推导戈尔德斯通玻色子的一般低能有效作用量。
• 应用相对论性量子场论形式，表明局部规范不变性和微分同胚不变性在无质量粒子描述中成为冗余对称性。
• 利用威纳伯格-惠滕定理论证自旋大于 1/2 的无质量粒子需要局部对称性，但表明洛伦兹对称性破缺产生的戈尔德斯通模式可规避此约束。
• 构建一个引力子为复合粒子的模型，其中宇宙学常数由破缺的洛伦兹对称性保护。
• 通过计算牛顿定律的修正和高能宇宙射线的引力切伦科夫辐射速率，评估其现象学约束。
• 将有效理论与鬼 condensate 模型进行比较，突出其在引力希格斯相动力学上的异同。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不依赖局部规范不变性的情况下，通过自发洛伦兹对称性破缺产生的戈尔德斯通玻色子介导长程相互作用？
• RQ2 洛伦兹对称性破缺的戈尔德斯通模式的低能动力学如何修改引力，并导致牛顿定律的可观测偏离？
• RQ3 超高能宇宙射线的引力切伦科夫辐射对洛伦兹对称性破缺模型施加了何种约束？
• RQ4 鬼 condensate 机制与所提出的基于戈尔德斯通玻色子的模型在描述引力希格斯相时有何异同？
• RQ5 此类模型对宇宙学常数问题及超加速暗能量情景的稳定性有何影响？

主要发现

• 自发洛伦兹对称性破缺产生的戈尔德斯通玻色子的低能有效理论与爱因斯坦引力最小耦合，导致牛顿定律的修正和引力辐射过程的改变。
• 超高能宇宙射线的引力切伦科夫辐射提供了强有力的观测约束，可能排除该模型的某些参数区域。
• 该模型规避了威纳伯格-惠滕定理，因为戈尔德斯通模式在洛伦兹对称性下非线性变换，破坏了该定理的假设前提。
• 由于洛伦兹对称性的非线性实现，宇宙学常数免受二次发散影响，为层次问题提供潜在解决方案。
• 以鬼 condensate 作为暗能量的模型表现出与能量条件破坏相关的不稳定性，状态方程参数 $ w = p/\rho $ 趋向于 $ w \to -1 $。
• 当允许多元宇宙景观中原始密度扰动的振幅变化时，对小宇宙学常数的人类中心论解释将被削弱。