[论文解读] Lorentz Invariance and Superluminal Particles

Luis Gonzalez‐Mestres|ArXiv.org|Mar 12, 1997

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 5被引用 6

一句话总结

本文提出，洛伦兹不变性可能是一种仅在特定物质领域内有效的涌现对称性，每个领域在真空中具有其自身的临界速度——这或许允许超光速粒子存在而不违反观测到的洛伦兹对称性。文章认为，由大统一或扩展超对称性保护的领域性洛伦兹不变性，容许普通（光速）领域与超光速领域之间的混合，并指出现有的低能洛伦兹对称性破坏的约束条件，并不能排除高能超光速现象或在宇宙射线或加速器实验中探测到此类现象。

ABSTRACT

If textbook Lorentz invariance is actually a property of the equations describing a sector of matter above some critical distance scale, several sectors of matter with different critical speeds in vacuum can coexist and an absolute rest frame (the vacuum rest frame, possibly related to the local rest frame of the expanding Universe) may exist without contradicting the apparent Lorentz invariance felt by "ordinary" particles (particles with critical speed in vacuum equal to $c$ , the speed of light). Sectorial Lorentz invariance, reflected by the fact that all particles of a given dynamical sector have the same critical speed in vacuum, will then be an expression of a fundamental sectorial symmetry (e.g. preonic grand unification or extended supersymmetry) protecting a parameter of the equations of motion. We study the breaking of Lorentz invariance in such a scenario, with emphasis on mixing between the "ordinary" sector and a superluminal sector, and discuss with examples the consequences of existing data. The sectorial universality of the value of the high-energy speed in vacuum, even exact, does not necessarily imply that Lorentz invariance is not violated and does not by itself exclude the possibility to produce superluminal particles at accelerators or to find them in experiments devoted to high-energy cosmic rays. Similarly, the stringent experimental bounds on Lorentz symmetry violation at low energy cannot be extrapolated to high-energy phenomena. Several basic questions related to possible effects of Lorentz symmetry violation are discussed, and potential signatures are examined.

研究动机与目标

• 调查洛伦兹不变性并非基本对称性，而是在具有各自真空中临界速度的特定物质领域内涌现的可能性。
• 探讨超光速粒子如何与普通物质共存而不与当前洛伦兹对称性破坏的实验约束相矛盾。
• 评估现有数据是否限制了超光速粒子的存在或其在高能实验中产生的可能性。
• 研究领域性对称性（如夸克子大统一或扩展超对称性）对高能动力学中真空光速普遍性的含义。
• 阐明为何低能洛伦兹对称性约束无法外推至涉及超光速领域的高能现象。

提出的方法

• 提出一个框架，其中洛伦兹不变性是特定物质领域方程的性质，而非普遍对称性。
• 引入“真空静止参考系”的概念，作为与宇宙局部膨胀相关的优选参考系，可能构成领域性对称性的基础。
• 通过有效场论技术分析“普通”领域（光速粒子）与超光速领域（临界速度大于c的粒子）之间的混合。
• 将高能真空光速的领域普遍性用作对称性保护机制，即使在基本层次上洛伦兹不变性被破坏。
• 利用现有的洛伦兹破坏实验约束，限制可能的超光速粒子耦合与产生率。
• 在该领域模型下，考察高能宇宙射线实验与粒子加速器中潜在的观测信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 超光速粒子是否可能在自然界存在而不与低能实验中观测到的洛伦兹不变性相矛盾？
• RQ2 领域性对称性（如夸克子大统一或扩展超对称性）对高能动力学中真空光速的普遍性有何影响？
• RQ3 如何在基本层次上破坏洛伦兹不变性，同时仍使“普通”物质领域保持不变的外观？
• RQ4 为何对洛伦兹破坏的严格低能约束并未排除高能领域中的超光速现象？
• RQ5 在宇宙射线或加速器实验中，何种可观测信号可将超光速领域与标准模型物理区分开来？

主要发现

• 即使洛伦兹不变性在基本层次上被破坏，只要每个领域在真空中具有普遍的临界速度，洛伦兹不变性仍可在物质领域内作为有效对称性存在。
• 若仅在低能下探测到“普通”领域（光速粒子），则存在优选真空静止参考系并不与观测到的洛伦兹不变性相矛盾。
• 高能真空光速的领域普遍性并不意味着基本洛伦兹不变性，也未排除超光速粒子的可能性。
• 现有的低能洛伦兹破坏约束无法外推至高能现象，因此仍存在超光速粒子产生或探测的空间。
• 普通领域与超光速领域之间的混合可能导致高能宇宙射线实验或粒子加速器中可观测效应，即使这些效应在低能下被抑制。
• 具有夸克子大统一或扩展超对称性的理论模型可自然地保护领域性洛伦兹不变性，同时允许超光速动力学。