[论文解读] Probing Models of Quantum Decoherence in Particle Physics and Cosmology

Nick E. Mavromatos, Sarben Sarkar|ArXiv.org|Dec 15, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文研究了由量子引力引起的退相干作为根本性CPT破坏的来源，提出在泡沫状时空中的开放量子系统会导致非幺正演化以及CPT算符的定义不清。研究证明，利用中性K介子和中微子的精密实验——尤其是在升级后的φ-工厂中——可以探测这些效应，潜在信号在当前实验灵敏度下可被探测到。

ABSTRACT

In this review we first discuss the string theoretical motivations for induced decoherence and deviations from ordinary quantum-mechanical behaviour; this leads to intrinsic CPT violation in the context of an extended class of quantum-gravity models. We then proceed to a description ofprecision tests of CPT symmetry and quantum mechanics using mainly neutral kaons and neutrinos. We also emphasize the possibly unique role of neutral meson factories in providing specific tests of models where the quantum-mechanical CPT operator is not well-defined, leading to modifications of Einstein-Podolsky-Rosen particle correlators. Finally, we discuss experimental probes of decoherence in a cosmological context, including studies of dissipative relaxation models of dark energy in the context of non-critical (non-equilibrium) string theory and the associated modifications of the Boltzmann equation for the evolution of species abundances.

研究动机与目标

• 探索弦理论和非临界弦模型中量子引力引起的退相干的理论动机。
• 研究在量子引力环境中退相干如何导致根本性CPT破坏，特别是通过幺正性的丧失和CPT算符的定义不清。
• 识别能够检验CPT算符未明确定义的模型的精密实验探针，尤其是中性介子系统。
• 评估退相干对宇宙学可观测量的影响，包括非临界弦宇宙学中的遗迹丰度和暗能量动力学。
• 评估在现有和未来的实验中检测这些量子引力效应的可行性，例如升级后的φ-工厂和中微子振荡设施。

提出的方法

• 将开放量子系统的形式化应用于建模低能有效场论与量子引力环境的相互作用，通过修改的李维维尓方程导致密度矩阵演化。
• 李维维尓方程包含一个非幺正校正项 $\delta H\hskip-8.5pt/\hskip 2.0pt\rho$，代表被束缚在时空泡沫中的未观测自由度引起的退相干。
• 在非幺正演化背景下分析CPT破坏，其中散射算符 $\mathcal{S}$ 不满足 $\mathcal{S}\mathcal{S}^\dagger = \mathbb{I}$，导致标准CPT定理失效。
• 在CPT算符定义不清的模型中，爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）关联被修改，导致在纠缠中性介子系统中出现可观测的 $\omega$-类效应。
• 通过非临界弦理论扩展宇宙学模型，引入时间依赖的稀释场和引力 $\beta$-函数作为遗迹丰度玻尔兹曼方程中的源项。
• 通过一个源项 $\Gamma(t) = \dot{\Phi} - \frac{1}{2}e^{-\Phi}g^{\mu\nu}\tilde{\beta}_{\mu\nu}^{\rm Grav}$ 修改遗迹密度计算，改变冻结条件和有效自由度 $\tilde{g}_{\rm eff}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子引力引起的退相干是否能在低能有效场论中导致可观测的CPT破坏？
• RQ2 在CPT算符未明确定义的纠缠中性介子系统中，如φ-工厂产生的系统，其可观测信号是什么？
• RQ3 在具有时间依赖稀释场和引力 $\beta$-函数的非临界弦宇宙学模型中，如何修改标准玻尔兹曼方程以描述遗迹丰度？
• RQ4 宇宙学中的退相干效应在多大程度上改变了暗物质遗迹密度的预测，与标准热冻结模型相比？
• RQ5 当前和近期的K介子与中微子实验能否证伪或约束具有诱导退相干的量子引力模型？

主要发现

• 来自量子时空泡沫的退相干导致非幺正演化，使CPT算符未明确定义，从而引发强形式的CPT破坏。
• 修改的李维维尓方程 $\partial_t \rho = i[\rho, H] + \delta H\hskip-8.5pt/\hskip 2.0pt\rho$ 捕获了在未观测引力自由度存在下开放量子系统的动力学。
• 在φ-工厂实验中，由于CPT算符未明确定义，EPR关联中的 $\omega$-类效应预计可通过DA\Phi NE-2升级达到探测能力。
• 暗物质的遗迹密度因包含时间依赖稀释场和引力 $\beta$-函数的源项 $\Gamma(t)$ 而被修改，改变了标准冻结条件。
• 修改的冻结点 $x_f^{-1}$ 包含对 $\Gamma H^{-1}/x$ 的积分，表明 $\Gamma$ 的符号和大小均可相对于标准模型增加或减少遗迹丰度。
• 在非临界弦宇宙学中，必须重新审视超对称暗物质模型的约束，因为退相干效应可显著改变遗迹密度预测。