[论文解读] On electric charge non-conservation in brane world

S. L. Dubovsky, V. A. Rubakov|ArXiv.org|Apr 24, 2002

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 6被引用 4

一句话总结

本文研究了在具有无限额外维度的膜世界模型中电荷不守恒的问题，其中带电粒子可衰变为体态模式，导致电子似乎消失。研究表明，由于体光子模式的连续谱产生的屏蔽机制，量子修正与产生过程被抑制，尽管存在轻量级带电Kaluza–Klein模式，该模型仍保持现象学上的可行性。

ABSTRACT

In some models with infinite extra dimensions, gauge fields are localized on a brane by gravity. A generic property of these models is the existence of arbitrarily light bulk modes of charged fields. This property may lead to interesting low-energy effects such as electric charge non-conservation on the brane (decay of electron to nothing). One may worry that light charged Kaluza--Klein modes would lead to unacceptable phenomenology due to their copious production in, e.g., electron-positron annihilation and/or their contribution to QED observables like anomalous magnetic moments. We argue, however, that both loop effects and production of light charged Kaluza--Klein modes are suppressed due to screening effect of gapless spectrum of bulk photons.

研究动机与目标

• 评估通过引力局域化在膜上实现规范与引力场的无限额外维度模型的现象学可行性。
• 解决人们对轻量级带电Kaluza–Klein（KK）模式可能导致QED可观测量中不可接受的贡献或在e⁺e⁻湮灭中过度产生问题的担忧。
• 证明体光子模式的连续谱通过屏蔽作用，可抑制轻量级带电KK模式的量子修正与产生过程。
• 阐明体光子谱在维持因果性及与低能QED一致性的角色，尽管膜上存在明显的电荷不守恒现象。

提出的方法

• 分析一个在(4+n+1)维时空中的翘曲度规模型，包含紧致化的额外维度及位于ξ=0处的膜。
• 推导U(1)规范场的有效作用量，表明存在一个局域化的零模及从零四维质量开始的连续体模式谱。
• 在膜上和体中引入轻量级带电费米子，其相互作用通过规范场与光子零模介导。
• 评估涉及体中带电模式的圈修正与轫致辐射过程，重点关注欧几里得光子传播子的作用。
• 应用屏蔽机制：在动量满足|p| ≳ μ的区域，当体费米子波函数显著时，欧几里得光子传播子呈指数衰减，从而抑制相互作用。
• 将该设置与具有毫电荷粒子或亚光子的4D模型进行比较，建立类比：光子零模表现得如同物理光子，而体模式则扮演弱耦合规范场的角色。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过电子衰变为体模式导致的电荷不守恒，能否与低能QED现象学相容？
• RQ2 在具有无限额外维度的膜世界模型中，何种机制可抑制轻量级带电Kaluza–Klein模式的危险圈修正与过度产生？
• RQ3 体光子模式的连续谱如何贡献于膜局域电荷与体中带电模式之间相互作用的屏蔽？
• RQ4 在非阿贝尔情况下，该屏蔽机制是否依然稳健？规范场自相互作用是否会破坏该抑制效果？
• RQ5 该膜世界模型与具有亚光子及毫电荷粒子的4D模型之间，是否存在全息或场论类比？

主要发现

• 在具有无限额外维度的模型中存在轻量级带电Kaluza–Klein模式，可能导致膜上出现明显的电荷不守恒现象，例如e⁻ → 无任何产物。
• 尽管存在轻量级带电KK模式，其对精密QED可观测量的圈修正贡献仍被体光子连续谱的屏蔽效应所抑制。
• 在e⁺e⁻湮灭等过程中，轻量级带电KK模式的产生被抑制，因为当|p| ≳ μ时，欧几里得光子传播子在体费米子波函数不可忽略的区域呈指数衰减。
• 即使Yukawa耦合y较大，只要yv/k ≫ 1，该抑制机制依然有效，此时费米子波函数在大ξ处局域化。
• 与具有亚光子和毫电荷粒子的4D模型之间的类比是稳健的：物理光子是零模与体模的叠加，而体模则表现为弱耦合的‘影子’带电粒子。
• 在非阿贝尔情况下，该机制失效，因为规范场在相同能量尺度下存在强自相互作用，导致传播子衰减，表明非阿贝尔规范场在此设置中可能无法实现局域化，除非进行额外微调。