[论文解读] Large and infinite extra dimensions: an introduction

V. A. Rubakov|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2001

Black Holes and Theoretical Physics被引用 68

一句话总结

本文介紹了在具有大尺度或無限額外維度的理論中膜世界場景，提出普通物質被限制在三維膜上，而引力可在高維空間體積中傳播。該文展示了此類模型如何在當前或近期的實驗中產生可觀測效應，並通過簡單的場論框架，為額外維度緊緻化提供了一種 phenomenologically 可行的替代方案。

ABSTRACT

The emphasis in the developmet of theories with more than three spatial dimensions has recently shifted towards "brane world" picture, which assumes that ordinary matter (with possible exceptions of gravitons and other, hypothetic, particles which interact very weakly with matter) is trapped to a three-dimensional submanifold --- brane --- embedded in fundamental multi-dimensional space. In the brane world scenario, extra dimensions may be large, and even infinite; they may have effects, directly observable in current or fothcoming experiments. On the basis of simple field-theoretic models, various ideas in this direction are exposed at a non-expert level.

研究动机与目标

• 探討大尺度或無限額外維度在現代理論物理中的可行性。
• 解釋在高維時空中普通物質如何被限制在三維膜上。
• 提出簡單的場論模型，使膜世界場景對非專家也易於理解。
• 強調大尺度或無限額外維度在當前或即將到來的實驗中可能產生的可觀測後果。

提出的方法

• 使用具有一個三維膜嵌入體積中的五維闵可夫斯基時空。
• 在膜上應用簡單的標量場理論來模擬局域化物質。
• 在膜上引入狄拉克δ函數源以表示物質的局域化。
• 分析體積中的引力勢，推導出對牛頓定律的修正。
• 研究引力子零模的性質及其與膜上物質的耦合。
• 將模型的預測與短距離引力實驗的限制進行比較。

实验结果

研究问题

• RQ1 大尺度或無限額外維度是否會在低能物理中產生可觀測效應？
• RQ2 在高維時空中，物質如何被局域化在三維膜上？
• RQ3 在具有大尺度額外維度的模型中，牛頓引力定律會產生何種修正？
• RQ4 引力子零模的性質如何影響膜世界場景中的理論物理後果？
• RQ5 哪些實驗信號可能證實大尺度或無限額外維度的存在？

主要发现

• 膜上的引力勢對牛頓定律的修正取決於額外維度的大小。
• 引力子零模仍保持在膜上局域化，確保在長距離下表現為四維引力。
• 對於大尺度額外維度，有效普朗克尺度會降低，使量子引力效應在TeV能量尺度下可被探測。
• 該模型預測在亞毫米尺度下牛頓定律會出現偏差，而這些偏差已被當前實驗所限制。
• 該框架提供了一種一致且基於場論的膜世界場景描述，無需依賴緊緻化。
• 可觀測效應如卡魯扎-克萊因共振或短距離處的修正引力，可能在未來實驗中得到驗證。