[论文解读] Newtonian gravity from Higgs condensates

M. Consoli, Fabio Siringo|ArXiv.org|Oct 18, 1999

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 8被引用 3

一句话总结

本文提出，牛顿引力作为电弱对称性自发破缺所导致的希格斯凝聚体的长波长激发而涌现。它推导出与 $ G_F / \eta $ 成正比的牛顿势，其中 $ \eta = M_h^2 / (2m^2) $，并表明将 $ G = G_F / \eta $ 识别为牛顿引力常数时，可预测希格斯量子（'phions'）的质量为 $ m \sim 10^{-4} \text{ 至 } 10^{-5} \text{ eV} $，暗示在厘米以下尺度存在可探测的第五种力偏离。

ABSTRACT

We propose a description of {\it Newtonian} gravity as a long wavelength excitation of the scalar condensate inducing electroweak symmetry breaking. Indeed, one finds a $-{{G_F}\overη}{{m_im_j}\over{r}}$ long-range potential where $G_F$ is the Fermi constant and $η\equiv {{M^2_h}\over{2m^2}} $ is determined by the ratio between the Higgs mass $M_h$ and the mass m of the elementary quanta of the symmetric phase (`phions'). The parameter $η$ would diverge in a true continuum theory so that its magnitude represents a measure of non-locality of the underlying field theory. By identifying $G\equiv {{G_F}\overη}$ with the Newton constant and assuming the range of Higgs mass $M_h \sim 10^{2}-10^{3}$ GeV one obtains $m=10^{-4}-10^{-5}$ eV and predicts typical `fifth-force' deviations below the centimeter scale. Relation to Einstein gravity and string theory is discussed. The crucial role of the first-order nature of the phase transition for the solution of the so-called `hierarchy problem' is emphasized. The possible relevance of the picture for the self-similarity of the universe and for a new approach to the problem of dark matter is discussed.

研究动机与目标

• 探讨牛顿引力是否并非基本相互作用，而是电弱相中希格斯凝聚体的长波长有效模式的可能。
• 通过强调该涌现引力框架中电弱相变的一阶性质，解决层次问题。
• 将希格斯 sector 与宏观引力联系起来，提出牛顿引力常数起源的新机制。
• 研究该涌现引力模式对暗物质及宇宙自相似结构的影响。

提出的方法

• 作者将电弱相中希格斯凝聚体建模为标量粒子（'phions'）的相干态，其质量为 $ m $，并将该系统视为非局域场论。
• 通过希格斯凝聚体介导的有效相互作用，推导出两质量间长程势，形式为 $ -\frac{G_F}{\eta} \frac{m_i m_j}{r} $。
• 引入参数 $ \eta = \frac{M_h^2}{2m^2} $ 以描述非局域性，其中 $ M_h $ 为物理希格斯玻色子质量。
• 通过将 $ G = \frac{G_F}{\eta} $ 识别为牛顿引力常数，将费米常数与希格斯质量关联至引力常数。
• 该模型将希格斯场的无能隙模式视为类似戈戈利茨玻色子的模式，尽管不存在连续对称性，暗示引力的动态起源。
• 他们讨论了与爱因斯坦引力及弦理论的一致性，并探讨了一阶相变对解决层次问题的含义。

实验结果

研究问题

• RQ1 牛顿引力能否被推导为电弱相中希格斯凝聚体的有效低能激发？
• RQ2 牛顿引力常数在希格斯 sector 及基本希格斯量子（'phions'）质量方面的物理起源是什么？
• RQ3 在该涌现引力情景中，电弱相变的一阶性质如何解决层次问题？
• RQ4 该模型的可观测信号特征是什么，特别是第五种力偏离方面？
• RQ5 该涌现引力机制能否为暗物质或宇宙自相似结构提供新视角？

主要发现

• 该模型重现了牛顿势 $ -\frac{G_F}{\eta} \frac{m_i m_j}{r} $，其中 $ \eta = \frac{M_h^2}{2m^2} $，表明引力源自希格斯凝聚体。
• 通过将 $ G = \frac{G_F}{\eta} $ 设为牛顿引力常数，该模型预测希格斯量子（'phions'）的质量为 $ m \sim 10^{-4} \text{ 至 } 10^{-5} \text{ eV} $，对应希格斯玻色子质量范围 $ M_h \sim 10^2 \text{ 至 } 10^3 \text{ GeV} $。
• 该模型预测，由于轻量级 'phion' 粒子的交换，牛顿定律在亚厘米尺度存在可测量的偏离。
• 参数 $ \eta $ 在真正的连续极限下发散，量化了底层场论的非局域性，表明其与标准局域量子场论的根本差异。
• 电弱相变的一阶性质在该框架中对稳定电弱尺度与普朗克尺度之间的层次关系至关重要。
• 尽管缺乏连续对称性，该涌现的无能隙模式仍表现出类似戈戈利茨玻色子的行为，暗示引力涌现的新型机制。