[论文解读] Lorentz breaking effective field theory models for matter and gravity: theory and observational constraints

Stefano Liberati, David Mattingly|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2012

Scientific Research and Discoveries参考文献 1被引用 10

一句话总结

该论文利用来自宇宙射线和伽马射线谱等天体物理观测的低能约束，发展了物质与引力中洛伦兹对称性破缺的有效场论模型。研究建立了对QED和强子 sectors 中洛伦兹破缺参数的严格限制，同时指出了引力 sector 约束中的空白以及在UHECR传播中改进核组成模型的必要性。

ABSTRACT

A number of different approaches to quantum gravity are at least partly phenomenologically characterized by their treatment of Lorentz symmetry, in particular whether the symmetry is exact or modified/broken at the smallest scales. For example, string theory generally preserves Lorentz symmetry while analog gravity and Lifshitz models break it at microscopic scales. In models with broken Lorentz symmetry there are a vast number of constraints on departures from Lorentz invariance that can be established with low energy experiments by employing the techniques of effective field theory in both the matter and gravitational sectors. We shall review here the low energy effective field theory approach to Lorentz breaking in these sectors and present various constraints provided by available observations.

研究动机与目标

• 为物质和引力 sector 中的洛伦兹对称性破缺开发低能有效场论框架。
• 利用天体物理数据（特别是超高能宇宙射线UHECRs和伽马射线谱）推导洛伦兹破缺参数的观测约束。
• 评估在UHECR组成不确定性下（特别是极端能量下重核可能占主导）现有约束的鲁棒性。
• 识别在引力 sector 中约束洛伦兹对称性破缺的开放挑战，特别是爱因斯坦-ether 和 Hořava–Lifshitz 引力理论中的问题。
• 评估修改的色散关系对UHECR传播的影响，包括光致碎裂和真空切伦科夫过程。

提出的方法

• 使用有效场论（EFT）技术，通过高维算符在物质和引力 sector 中建模洛伦兹对称性破缺。
• 将UHECR谱中的GZK特征作为QED和强子 sector 中洛伦兹对称性破缺的关键观测探针。
• 利用宇宙射线在星际传播中未观测到真空切伦科夫辐射以及光致碎裂阈值改变的观测事实施加约束。
• 分析质子和原子核的修改色散关系，推导洛伦兹破缺系数的限制，特别关注亚光速和超光速传播情况。
• 评估当前和未来实验（包括原子干涉仪和伽马射线天文台）对洛伦兹破缺引力中物质-张量耦合的敏感度。
• 评估修改引力模型（如爱因斯坦-ether 和 伽利略子）在避开太阳系实验测试的同时仍允许洛伦兹破缺的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 从UHECR和伽马射线数据中得出的QED和强子 sector 中洛伦兹破缺参数的最强观测约束是什么？
• RQ2 UHECR组成不确定性在多大程度上影响洛伦兹破缺约束的鲁棒性？
• RQ3 真空切伦科夫辐射和光致碎裂阈值在多大程度上可用于约束超光速和亚光速质子传播？
• RQ4 目前对引力 sector 中洛伦兹破缺的观测限制是什么，特别是在爱因斯坦-ether 和 Hořava–Lifshitz 引力模型中？
• RQ5 原子核的修改色散关系在多大程度上影响UHECR谱的预测以及洛伦兹破缺信号的可探测性？

主要发现

• 在10^19 eV以上UHECR通量中质子占主导时，QED sector 中洛伦兹破缺的约束才具有鲁棒性；在E ~ 10^19.6 eV处观测到重核的迹象会削弱这些限制。
• 在~10^19.6 eV处，若UHECR为铁核，则洛伦兹破缺参数ζ_p的上限为ζ_p ≤ 2×10^2；若为氦核，则ζ_p ≤ 4×10^{-3}。
• 对于超光速质子，由于未观测到真空切伦科夫辐射，铁核在10^20 eV时ζ_p ≤ 4，氦核时ζ_p ≤ 4×10^{-3}。
• 亚光速质子的约束来自核衰变过程中能量-动量守恒，其中发射核子的能量因结合能而降低。
• 洛伦兹破缺引力 sector 的约束仍然很弱，特别是在爱因斯坦-ether 理论中，仍有大量参数空间未被测试。
• 未来若能对包含洛伦兹破缺色散关系的UHECR传播进行定量建模，特别是对光致碎裂和能量损失过程，将可进一步加强约束。