[论文解读] Background Dependent Lorentz Violation from String Theory

Tianjun Li, Dimitri V. Nanopoulos|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2011

Noncommutative and Quantum Gravity Theories被引用 14

一句话总结

本文通过D3-branes与D7-branes，在Type IIB弦理论中提出一种依赖背景的洛伦兹对称性破坏，其中粒子速度偏差δv与能量和D3-brane密度成正比，与弦标度成反比。该模型以约10⁵ GeV的弦标度，解释了OPERA与MINOS实验中观测到的超光速中微子结果，同时通过星际空间中较低的D3-brane密度，解释了MAGIC、HESS与FERMI实验中光子的能量依赖时间延迟，且完全满足严格的天体物理约束条件。

ABSTRACT

We revisit Lorentz violation in the Type IIB string theory with D3-branes and D7-branes. We study the relativistic particle velocities in details, and show that there exist both subluminal and superluminal particle propagations. In particular, the additional contributions to the particle velosity δv\equiv (v-c)/c from string theory is proportional to both the particle energy and the D3-brane number density, and is inversely proportional to the string scale. Thus, we can realize the background dependent Lorentz violation naturally by varying the D3-brane number density in space time. To explain the superluminal neutrino propagations in the OPERA and MINOS experiments, the string scale should be around 10^5 GeV. With very tiny D3-brane number density on the interstellar scale, we can also explain the time delays for the high energy photons compared to the low energy photons in the MAGIC, HESS, and FERMI experiments simultaneously. Interestingly, we can automatically satisfy all the stringent constraints from the synchrotron radiation of the Crab Nebula, the SN1987a observations on neutrinos, and the cosmic ray experiments on charged leptons. We also address the possible phenomenological challenges to our models from the relevant experiments done on the Earth.

研究动机与目标

• 解释OPERA与MINOS实验中观测到的异常超光速中微子传播现象。
• 解释MAGIC、HESS与FERMI实验中高能光子的能量依赖时间延迟现象。
• 将上述现象与SN1987a、蟹状星云同步辐射及宇宙射线实验所施加的严格天体物理约束相协调。
• 在Type IIB弦理论中，通过D3-brane数密度作为可调参数，提出一种自然的背景依赖洛伦兹对称性破坏机制。

提出的方法

• 在包含D3-branes与D7-branes的Type IIB弦理论中推导粒子速度修正δv ≡ (v−c)/c，表明其依赖于粒子能量与D3-brane数密度。
• 通过参数V_A3、η与ξ建模有效量子引力标度M_QG，并校准以匹配天体物理实验中观测到的时间延迟。
• 利用D-particle模型描述时空泡沫效应，将真空折射率效应与内部自由度的弦相互作用联系起来。
• 在不同区域（地球与星际空间）调节D3-brane数密度，以实现不同环境下的洛伦兹对称性破坏效应。
• 应用SN1987a、蟹状星云与宇宙射线数据的约束，限制电子与μ子的δv，确保与观测一致。
• 通过假设地球实验环境与星际空间的真空性质不同，解决地面实验（如LEP、KamLAND）带来的挑战。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有D3-branes与D7-branes的弦理论模型能否自然解释OPERA与MINOS实验中观测到的超光速中微子结果？
• RQ2 同一模型能否同时解释MAGIC、HESS与FERMI实验中观测到的高能光子能量依赖时间延迟？
• RQ3 该模型如何满足SN1987a中微子观测、蟹状星云同步辐射与宇宙射线实验对带电轻子的严格约束？
• RQ4 为重现观测到的时间延迟并保持与地面实验的一致性，所需的弦标度与D3-brane数密度分别是多少？

主要发现

• 解释OPERA与MINOS中微子异常所需的弦标度约为10⁵ GeV。
• 在星际空间中D3-brane数密度极低的条件下，该模型可重现MAGIC、HESS与FERMI实验中观测到的高能光子时间延迟。
• 通过星际空间参数(V_A3)^1/3 ≈ 1.9×10⁸ GeV⁻¹、η^IS ≈ 1.6×10⁻⁴⁰与ξ^IS ≈ 2.4×10¹³，可实现有效量子引力标度M_QG ≈ 0.98×10¹⁸ GeV。
• 该模型自动满足SN1987a的约束，即|δv_ν| ≤ 2×10⁻⁹（在15 MeV能量下），以及宇宙射线观测对电子的约束，即δv_e < 10⁻¹³与δv_e < 10⁻¹⁵。
• 通过调整FERMI GRB 090510相关方向的V_A3^IS至更小值，该模型可解释FERMI的约束，使M_QG > 1.22×10¹⁹ GeV。
• 通过假设LEP隧道中的真空与星际真空不同，解决了LEP与KamLAND等地面实验的挑战，使δv_e与观测结果保持一致。