Wikipédia

A standard modell kiterjesztése

A standard modell kiterjesztése (angolul: Standard Model Extension (SME)) egy effektív térelmélet, amely tartalmazza a Standard Modellt, az általános relativitás elméletet, és minden lehetséges operátort, amely sérti a Lorentz szimmetriát.[1][2][3][4][5][6][7][8] Ennek az alapvető szimmetriának a sértése tanulmányozható ebben az általános SME keretrendszerben. A CPT szimmetriasértés Lorentz szimmetria sértéssel jár,[9] és a SME egyaránt tartalmaz olyan operátorokat, amelyek sértik, és olyanokat, amelyek megtartják a CPT szimmetriát.[10][11][12]

Bevezetés szerkesztés

1989-ben Alan Kostelecký es Stuart Samuel bebizonyították, hogy húrelméleti kölcsönhatások a Lorentz szimmetria spontán sértéséhez vezethetnek.[13] Későbbi tanulmányok azt mutatták ki, hogy hurok-kvantum gravitáció, nem-kommutatív térelméletek, bránvilág-elméletek, véletlen dinamikai modellek szintén a Lorentz-invariancia sérülésével járnak. A Lorentz-sértés iránti érdeklődés az utóbbi tíz évben gyorsan növekedett, mivel a sértés előfordulhat ezen és más szóba jöhető kvantumgravitációs elméletekben. A korai 1990-es években bebizonyosodott a bozonikus szuperhúrokkal kapcsolatban, hogy húr kölcsönhatások szintén okozhatnak spontán CPT-szimmetria sértést. Ez a munka[14] arra utalt, hogy kaon interferenciával végzett kísérletek ígéretesek lehetnek a CPT-sértés keresésére, nagy érzékenységüknek köszönhetően. A SME arra született, hogy megkönnyítse a Lorentz- és CPT-szimmetria kísérleti vizsgálatait, megadva az elméleti motivációt ezen szimmetriasértésekhez. Kezdeti lépés volt 1995-ben az effektív kölcsönhatások bevezetése.[15][16] Annak ellenére, hogy a Lorentz–sértő kölcsönhatások olyan elméletek által motiváltak, mint a húrelmélet, az SME-ban megjelenő alacsony energiájú effektív hatás független a megalapozó elmélettől. Az effektív elmélet minden egyes tagja az alapelmélet valamely tenzorterének várható értékét foglalja magában. Ezek az együtthatók kicsik a Planck-skála elnyomásnak köszönhetően, és elvileg kísérletileg mérhetők. Az első figyelembe vett eset a semleges mezonok keveredése volt, mivel azok interferencia jellegű természete nagyon érzékennyé teszi azokat az elnyomott hatásokra. 1997- és 1998-ban a Don Colladay és Alan Kostelecký által írt két cikk vezette be a minimális SME-t sík téridőben.[1][2][17][18][19][20][21] Ez adott egy, a Standard Modell részecskéinek spektrumát átfogó keretrendszert a Lorentz-sértésekre és információt szolgáltatott a különböző jeltípusokról a lehetséges új kísérleti kutatásokhoz. 2004-ben publikálták a görbült téridőbe illő legfontosabb Lorentz-sértő tagokat,[3] teljessé téve ezzel a minimális SME-ról alkotott képet. 1999-ben Sidney Coleman és Sheldon Glashow állítottak fel egy speciális izotropikus határt a SME-ra.[22] Magasabb rendű Lorentz-sértő tagokat is tanulmányoztak különböző összefüggésekben, kiterjesztve azt az elektrodinamikára is.[23]

Lorentz-transzformációk: megfigyelő kontra részecske szerkesztés

A Lorentz-sértés mérhető különbséget jelent két olyan rendszer között amelyek csak egy részecske Lorentz-transzformációban különböznek. A részecske és a megfigyelői Lorentz-transzformáció közötti különbség alapvető a Lorentz-sértő fizika megértésében. A speciális relativitáselméletben a megfigyelői Lorentz transzformációk olyan vonatkoztatási rendszerekben végzett mérésekre vonatkoznak amelyek orientációja és sebessége különböző. Az egyik rendszer koordinátái a másik rendszer koordinátáihoz megfigyelői Lorentz transzformáció révén kapcsolódnak egymáshoz — egy forgatással, egy egyenes irányú elmozdulással vagy a kettő kombinációjával. Mindkét megfigyelő egyetért a fizikai törvényekkel, mivel ez a transzformáció egyszerűen egy koordináta váltás. Másrészt viszont azonos kísérletek elforgathatók vagy egyenes mentén elmozdíthatók egymáshoz képest, miközben ugyanaz az inerciarendszerbeli megfigyelő tanulmányozza őket. Ezeket a transzformációkat részecske transzformációknak hívjuk, mert a kísérlet anyaga és mezői fizikailag egy új konfigurációba transzformáltak. Egy konvencionális vákuumban a megfigyeIő- és részecske-transzformációk egyszerű módon kapcsolhatók össze – lényegében egyik a másik inverze. Ez a látszólagos ekvivalencia gyakran az aktív és passzív transzformáció terminológiájának használatában jut kifejezésre. Ez az ekvivalencia a Lorentz-sértő elméletekben azonban megszűnik, mert rögzített háttérterek szimmetriasértést okoznak. Ezek a háttérterek tenzorszerű mennyiségek, amelyek kitüntetett irányokat és impulzusfüggő hatásokat hoznak létre. A mezők kiterjednek az egész térre és időre, valamint lényegében rögzítettek. Amikor egy, a háttérmezőkre érzékeny kísérletet forgatásnak vagy egyenletes transzlációnak vetünk alá, azaz részecske-transzformációt hajtunk végre rajta, a háttér mezők változatlanok maradnak, és mérhető hatások észlelhetők. Megfigyelői Lorentz-szimmetria minden elméletben elvárható, a Lorentz-sértőkben is, hiszen a koordináta transzformáció nincs hatással magára a fizikára. Ezt az invarianciát skaláris Lagrange-függvény használatával érik el a térelméletekben, megfelelően alkalmazott téridő indexekkel. Részecske Lorentz–sértés akkor jelenik meg, ha az elmélet tekintetbe veszi a rögzített SME háttérmezőket, amelyek kitöltik a világegyetemet.

Az SME felépítése szerkesztés

A SME kifejezhető különböző tagokból álló Lagrange- függvényként. Minden Lorentz-sértő tag egy megfigyelő skalár, amit szabványos tér operátorok azonos indexre összegzett formáival fejeznek ki megszorozva egy ellenőrző állandóval, ún. Lorentz-sértő együtthatókkal. Figyelembe kell venni, hogy ezek nem az elmélet paraméterei, mivel azok elvileg a megfelelő kísérlettel mérhetőek. Az együtthatók várhatóan kicsik a Planck- skála elnyomások miatt, ezért perturbációs eljárások a megfelelőek. Néhány esetben más elnyomó mechanizmusok is elfedhetnek nagyobb Lorentz sértéseket. Lehetséges például, hogy nagy sértések, amelyek a gravitációban előfordulhatnak , nem voltak észlelhetők eddig a gyenge gravitációs mezőkkel való kapcsolódásuk miatt.[24] Az elmélet stabilitását és okozatiságát részletesen tanulmányozták.[25]

Spontán Lorentz-szimmetria sértés szerkesztés

A térelméletben két lehetséges mód van a szimmetriasértés bevezetésére: az explicit és a spontán mód. Egy alapvető eredmény a Lorentz-sértés formális elméletében, amit Kostelecký jelentetett meg 2004-ben , hogy az explicit Lorentz-sértés a Bianchi azonosságok összeegyeztethetetlenségéhez vezet az energia–impulzus és spin-sűrűség tenzorok kovariáns megmaradási törvényeivel, míg a spontán Lorentz-sértés elkerüli ezt a nehézséget.[3] Ez a tétel feltételezi, hogy minden Lorentz-szimmetria sértésének dinamikusnak kell lennie. A Lorentz-szimmetria sértése lehetséges okainak formális tanulmányozása magában foglalja a várható Nambu–Goldstone-módusok sorsának felderítését. A Goldstone-tételből következik, hogy spontán szimmetriasértést tömeg nélküli bozonok megjelenése kell, hogy kísérje. Ezek a módusok azonosíthatók a fotonnal,[26] a gravitonnal,[27][28] spin-függő[29] és spin-független kölcsönhatásokkal.[24]

Kísérleti kutatások szerkesztés

Bármely kísérletben előforduló lehetséges Lorentz sértés jelei kiszámíthatóak a SME-ból.[30][31][32][33][34][35] Emiatt a kísérleti fizika berkeiben a Lorentz szimmetria-sértés kutatása figyelemre méltó eszköznek bizonyult. Mostanáig a kísérleti eredmények a SME együtthatók felső korlátainak formáját öltötték. Mivel az eredmények numerikus értéke eltér a különböző inerciarendszerekben, az elfogadott vonatkoztatási rendszer az eredmények közlésére a Nap-központú rendszer lett. Ez a rendszer célszerű és megfelelő választás, hiszen hozzáférhető és inerciális több száz éves időskálán is.

Tipikus kísérletek kapcsolatot keresnek a háttér mezők és különböző részecske tulajdonságok között, mint a spin vagy a haladási irány. Az egyik kulcsfontosságú csalhatatlan jele a Lorentz sértésnek onnan származik, hogy a maga a Föld forog és kering a Nap-központú rendszerhez képest. Ezek a mozgások vezetnek a Lorentz koefficiensek mind éves, mind sziderikus változásaihoz. Mivel a Föld transzlációs mozgása a Nap körül nem relativisztikus, az éves változásokat elnyomja egy 10−4 tényező. Ez a sziderikus változásokat teszi a meghatározó időtől függő hatássá a kísérleti adatok gyűjtésében.[36]

SME együtthatók méréseit végezték a következőket tartalmazó kísérletekkel:

  • kozmológiai források kettőstörése és diszperziója
  • óra- összehasonlító mérések
  • KHS (Kozmikus Háttér Sugárzás) polarizációja
  • ütköztető kísérletek
  • elektromágneses rezonáns üregek
  • ekvivalencia elv
  • mérték és Higgs részecskék
  • nagyenergiájú asztrofizikai megfigyelések
  • gravitáció laboratóriumi és gravimetriai tesztjei
  • tömeg interferometria
  • neutrínó oszcillációk
  • K, B, D mezonok oszcillációi és bomlásai
  • részecske-antirészecske összehasonlítások
  • post-newtoni gravitáció a Naprendszerben és azon kívül
  • második és harmadik generációs részecskék
  • űrkísérletetek
  • hidrogén-antihidrogén spektroszkópia
  • spin-polarizált anyag

Az összes SME koefficiensre vonatkozó kísérleti eredmény megtalálható a Lorentz és CPT sértésről készült táblázatban.[37]

Lásd még szerkesztés

Külső hivatkozások szerkesztés

Jegyzetek szerkesztés

  1. ↑ a b D. Colladay and V.A. Kostelecky, "CPT Violation and the Standard Model", Phys. Rev. D 55, 6760 (1997).
  2. ↑ a b D. Colladay and V.A. Kostelecky, "Lorentz-Violating Extension of the Standard Model", Phys. Rev. D 58, 116002 (1998).
  3. ↑ a b c V.A. Kostelecky, "Gravity, Lorentz Violation, and the Standard Model", Phys. Rev. D 69, 105009 (2004).
  4. ↑ Is Special Relativity Wrong? Archiválva 2010. április 3-i dátummal a Wayback Machine-ben by Phil Schewe and Ben Stein, AIP Physics News Update Number 712 #1, December 13, 2004.
  5. ↑ Special Relativity Reconsidered by Adrian Cho, Science, Vol. 307. no. 5711, p. 866, 11 February 2005.
  6. ↑ Has time run out on Einstein's theory? Archiválva 2008. október 28-i dátummal a Wayback Machine-ben, CNN, June 5, 2002.
  7. ↑ Was Einstein Wrong? Space Station Research May Find Out Archiválva 2021. március 12-i dátummal a Wayback Machine-ben, JPL News, May 29, 2002.
  8. ↑ Peering Over Einstein's Shoulders by J.R. Minkel, Scientific American Magazine, June 24, 2002.
  9. ↑ O. Greenberg "CPT Violation Implies Violation of Lorentz Invariance", Phys. Rev. Lett. 89, 231602 (2002).
  10. ↑ Kostelecky, Alan. The Search for Relativity Violations Archiválva 2011. június 10-i dátummal a Wayback Machine-ben. Scientific American Magazine.
  11. ↑ Russell, Neil. Fabric of the final frontier, New Scientist Magazine issue 2408, 16 August 2003.
  12. ↑ Time Slows When You're on the Fly by Elizabeth Quill, Science, November 13, 2007.
  13. ↑ V.A. Kostelecky and S. Samuel, "Spontaneous Breaking of Lorentz Symmetry in String Theory", Phys. Rev. D 39, 683 (1989).
  14. ↑ V.A. Kostelecky and R. Potting, "CPT and strings", Nucl. Phys. B 359, 545 (1991).
  15. ↑ V.A. Kostelecky and R. Potting, "CPT, Strings, and Meson Factories", Phys. Rev. D 51, 3923 (1995).
  16. ↑ IU Physicist offers foundation for uprooting a hallowed principle of physics Archiválva 2012. szeptember 29-i dátummal a Wayback Machine-ben, Indiana University News Room, January 5, 2009.
  17. ↑ New Ways Suggested to Probe Lorentz Violation, American Physical Society News, June 2008.
  18. ↑ Quantum gravity: Back to the future, Nature 427, 482-484 (5 February 2004).
  19. ↑ Lorentz Violations? Not Yet Archiválva 2010. március 29-i dátummal a Wayback Machine-ben by Phil Schewe, James Riordon, and Ben Stein, Number 623 #2, February 5, 2003.
  20. ↑ Relativity: Testing times in space, Nature 416, 803-804, (25 April 2002).
  21. ↑ Catching relativity violations with atoms by Quentin G. Bailey, APS Viewpoint, Physics 2, 58 (2009).
  22. ↑ S. Coleman and S.L. Glashow, "High-energy tests of Lorentz invariance", Phys. Rev. D 59, 116008 (1999).
  23. ↑ V.A. Kostelecky and M. Mewes, "Electrodynamics with Lorentz-Violating Operators of Arbitrary Dimension", Phys. Rev. D 80, 015020 (2009).
  24. ↑ a b V.A. Kostelecky and J. Tasson, "Prospects for Large Relativity Violations in Matter-Gravity Couplings", Phys. Rev. Lett. 102, 010402 (2009).
  25. ↑ V.A. Kostelecky and R. Lehnert, "Stability, Causality, and Lorentz and CPT Violation", Phys. Rev. D 63, 065008 (2001).
  26. ↑ R. Bluhm and V.A. Kostelecky, "Spontaneous Lorentz Violation, Nambu-Goldstone Modes, and Gravity", arxiv|hep-th/0412320.
  27. ↑ V.A. Kostelecky and R. Potting, "Gravity from Spontaneous Lorentz Violation", Phys. Rev. D 79, 065018 (2009).
  28. ↑ V.A. Kostelecky and R. Potting, "Gravity from Local Lorentz Violation", Gen. Rel. Grav. 37, 1675 (2005).
  29. ↑ N. Arkani-Hamed, H.C. Cheng, M. Luty, and J. Thaler, "Universal dynamics of spontaneous Lorentz violation and a new spin-dependent inverse-square law force", JHEP 0507, 029 (2005).
  30. ↑ Unification could be ripe for the picking Archiválva 2012. január 27-i dátummal a Wayback Machine-ben, Physics World, Jan 13, 2009.
  31. ↑ Michelson–Morley experiment is best yet Archiválva 2011. november 9-i dátummal a Wayback Machine-ben by Hamish Johnston, Physics World, Sep 14, 2009.
  32. ↑ Neutrinos: The key to a theory of everything by Marcus Chown, New Scientist Magazine issue 2615, 1 August 2007.
  33. ↑ Einstein's relativity survives neutrino test, Indiana University News Room, October 15, 2008.
  34. ↑ Relativity violations may make light by Francis Reddy, Astronomy Magazine, June 21, 2005.
  35. ↑ Antimatter and matter may have different properties Archiválva 2005. november 8-i dátummal a Wayback Machine-ben, Indiana University News Room.
  36. ↑ Lorentz symmetry stays intact Archiválva 2012. április 1-i dátummal a Wayback Machine-ben, Physics World, Feb 25, 2003.
  37. ↑ V.A. Kostelecky and N. Russell, "Data Tables for Lorentz and CPT Violation", arxiv|0801.0287
A lap eredeti címe: „https://hu.wikipedia.org/w/index.php?title=A_standard_modell_kiterjesztése&oldid=25541143”