[论文解读] Properties of a possible class of particles able to travel faster than light

Luis Gonzalez‐Mestres|ArXiv.org|May 25, 1995

Experimental and Theoretical Physics Studies参考文献 1被引用 19

一句话总结

该论文提出了一种新型粒子的理论框架，这些粒子以超光速运动（超光速），但并非 tachyons；它们在具有更高临界速度 $ c_1 > c $ 的独特类闵氏时空结构中遵守洛伦兹不变性，当 $ v > c $ 时会引发真空切伦科夫辐射。该情景在保持超光速部分相对论性运动学的同时，允许与普通物质弱耦合并具有暗物质及早期宇宙动力学等宇宙学意义。

ABSTRACT

The apparent Lorentz invariance of the laws of physics does not imply that space-time is indeed minkowskian. Matter made of solutions of Lorentz-invariant equations would feel a relativistic space-time even if the actual space-time had a quite different geometry (i.e. a galilean space-time). A typical example is provided by sine-Gordon solitons in a galilean world. A "sub-world" restricted to such solitons would be "relativistic", with the critical speed of solitons playing the role of the speed of light. Only the study of the deep structure of matter will unravel the actual geometry of space and time, which we expect to be scale-dependent and determined by the properties of matter itself. If Lorentz invariance is a property of equations describing a sector of matter at a given scale, an absolute frame (the "vacuum rest frame") may exist without contradicting the minkowskian sctructure of the space-time felt by ordinary particles. But c, the speed of light, will not necessarily be the only critical speed in vacuum: for instance, a superluminal sector of matter may exist related to new degrees of freedom not yet discovered experimentally. Such particles would not be tachyons: they may feel a different minkowskian space-time with a critical speed larger than c and behave kinematically like ordinary particles apart from the difference in critical speed. At speed larger than c , they are expected to release "Cherenkov" radiation (ordinary particles) in vacuum. We present a discussion of possible physical (theoretical experimental) and cosmological implications of such a scenario, assuming that the superluminal sector couples weakly to ordinary matter.

研究动机与目标

• 探索在洛伦兹不变框架下，具有临界速度 $ c_1 > c $（不同于光速 $ c $）的超光速粒子部分的理论可能性。
• 研究此类粒子如何从非必然闵氏几何的更深层次、与尺度相关的时空几何中涌现。
• 考察弱耦合超光速部分在宇宙学与粒子物理学中的影响，包括暗物质候选者与早期宇宙动力学。
• 评估实验信号，如真空切伦科夫辐射，以及高能加速器或低能核物理中的异常事件。
• 评估该双部分模型在辐射修正下的稳定性及其与量子场论原理的一致性。

提出的方法

• 构建一个场论模型，其中超光速粒子满足具有临界速度 $ c_1 > c $ 的达朗贝尔方程，该方程源自伽利略背景下的修正波动方程。
• 采用 sine-Gordon 孤子模型作为类比：在伽利略时空中的孤子表现出以 $ c_o $ 为有效速度极限的相对论性运动学，表明洛伦兹不变性可从非相对论性动力学中涌现。
• 引入第二个物质部分，其遵循具有 $ c_1 $ 作为临界速度的克莱因-戈尔登型方程，从而形成独立的类闵氏时空结构。
• 分析真空切伦科夫辐射：速度 $ v > c $ 的超光速粒子在真空中会发射普通粒子（如光子），在它们的静止参考系中产生宽频、近乎各向同性的辐射。
• 通过一种新‘引力子’引入引力耦合，其速度为 $ c_1 $，从而为超光速部分提供独立的‘引力’，并允许两部分之间弱混合。
• 假设普朗克常数 $ h $ 和角动量在两部分之间守恒，确保量子数的一致性，避免立即出现异常。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一个临界速度 $ c_1 > c $ 的超光速粒子部分，且与洛伦兹不变性及标准量子场论一致？
• RQ2 此类粒子的可观测信号（特别是高能实验中的真空切伦科夫辐射）是什么？
• RQ3 此类部分的存在将如何影响宇宙学模型，包括大尺度结构的形成与暗物质的本质？
• RQ4 超光速部分与普通部分之间的弱耦合在保持部分独立性并避免实验冲突方面起什么作用？
• RQ5 此类双部分模型在紫外区域的辐射修正与量子修正下是否仍能保持稳定？

主要发现

• 速度 $ v > c $ 的超光速粒子会以普通粒子形式发射真空切伦科夫辐射，导致其静止参考系中产生宽频、近乎各向同性的辐射图样。
• 此类粒子的切伦科夫辐射阈值略高于 $ 2mc_1^2 $，发射从 $ E \approx 2mc_1^2(1 + \frac{1}{2}c^2/c_1^2) $ 开始，接近对产生阈值。
• 超光速部分可能主导宇宙中的暗物质，其遗迹粒子可能在地下或天体粒子实验中被探测到。
• 超光速部分的引力相互作用将由一种新‘引力子’介导，其速度为 $ c_1 $，与普通引力子（速度为 $ c $）不同，从而导致部分特异的引力。
• 该模型预测惯性质量与引力质量之间的等效性将不再普遍成立，而仅在每个部分内部近似成立。
• 此类部分的存在并不违反有效意义上的洛伦兹不变性，因为每个部分独立遵守其自身具有临界速度 $ c_1 $ 的类闵氏时空结构。