본문으로 이동

표준 모형 확장

위키백과, 우리 모두의 백과사전.

표준 모형 확장(영어: Standard-Model Extension, SME)은 표준 모형, 일반 상대성이론, 그리고 로런츠 대칭을 깨는 가능한 모든 연산자를 포함하는 유효 이론이다.[1][2][3][4][5][6][7][8] 이러한 근본적인 대칭성의 위반은 이 일반적인 틀 내에서 연구될 수 있다. CPT 위반은 로런츠 대칭의 깨짐을 의미하며,[9] SME는 CPT 정리를 깨는 연산자와 보존하는 연산자를 모두 포함한다.[10][11][12]

개발

[편집]

1989년, 앨런 코스텔레츠키와 스튜어트 새뮤얼은 끈 이론에서의 상호작용이 로런츠 대칭의 자발적인 깨짐으로 이어질 수 있음을 증명했다.[13] 이후 연구에 따르면 고리 양자 중력, 비가환 장론, 브레인 우주 시나리오, 무작위 역학 모델 또한 로런츠 불변성의 붕괴를 수반하는 것으로 나타났다.[14] 지난 수십 년 동안 로런츠 위반에 대한 관심이 급증했는데, 이는 양자 중력의 후보 이론들과 다른 이론들에서 발생할 수 있기 때문이다. 1990년대 초, 보손 초끈의 맥락에서 끈 상호작용 또한 CPT 정리를 자발적으로 깰 수 있음이 밝혀졌다. 이 연구[15]는 케이 중간자 간섭계를 이용한 실험이 CPT 위반의 가능한 신호를 탐색하는 데 유망할 것이라고 제안했다.

SME는 로런츠 및 CPT 대칭 위반에 대한 이론적 동기가 주어졌을 때, 이러한 대칭성을 실험적으로 조사하는 것을 용이하게 하기 위해 구상되었다. 1995년에 첫 단계로 유효 상호작용이 도입되었다.[16][17] 로런츠 깨짐 상호작용은 끈 이론과 같은 구성에 의해 동기 부여되지만, SME에 나타나는 저에너지 유효 작용은 근본적인 이론과 무관하다. 유효 이론의 각 항은 근본적인 이론의 텐서장 기대를 포함한다. 이 계수들은 플랑크 스케일 억제 때문에 작을 것으로 예상되며, 원칙적으로 실험을 통해 측정 가능하다. 처음으로 고려된 경우는 중성 중간자의 혼합이었는데, 그 간섭적인 특성으로 인해 억제된 효과에 매우 민감하기 때문이다.

1997년과 1998년에 돈 콜라데이와 앨런 코스텔레츠키의 두 논문이 평탄한 시공간에서 최소 SME를 탄생시켰다.[1][2] 이는 표준 모형 입자 스펙트럼 전반에 걸친 로런츠 위반 프레임워크를 제공했으며, 잠재적인 새로운 실험 탐색을 위한 신호 유형에 대한 정보를 제공했다.[18][19][20][21][22]

2004년에는 곡선 시공간에서 선도적인 로런츠 깨짐 항이 발표되어,[3] 최소 SME의 그림이 완성되었다. 1999년에 시드니 콜먼과 셸던 리 글래쇼는 SME의 특별한 등방성 한계를 제시했다.[23] 고차 로런츠 위반 항은 전자기학을 포함한 다양한 맥락에서 연구되었다.[24]

로런츠 변환: 관찰자 대 입자

[편집]
 이 부분의 본문은 능동 변환과 수동 변환입니다.

입자 변환과 관찰자 변환의 구별은 물리학에서 로런츠 위반을 이해하는 데 필수적이다. 로런츠 위반은 입자 로런츠 변환에 의해서만 다른 두 시스템 간의 측정 가능한 차이를 의미하기 때문이다.

특수 상대성이론에서 관찰자 로런츠 변환은 속도와 방향이 다른 기준 틀에서 이루어진 측정값을 연관시킨다. 한 시스템의 좌표는 다른 시스템의 좌표와 관찰자 로런츠 변환—회전, 부스트 또는 이 둘의 조합—에 의해 관련된다. 각 관찰자는 이 변환이 단순히 좌표 변환이기 때문에 물리학의 법칙에 동의할 것이다. 반면에 동일한 실험이 같은 관성 관찰자에 의해 연구되는 동안 서로 상대적으로 회전하거나 부스트될 수 있다. 이러한 변환은 입자 변환이라고 불리는데, 이는 실험의 물질과 장이 물리적으로 새로운 구성으로 변환되기 때문이다.

통상적인 진공에서 관찰자 변환과 입자 변환은 간단한 방식으로 서로 관련될 수 있다. 기본적으로 하나는 다른 하나의 역이다. 이러한 명백한 등가성은 종종 능동 변환과 수동 변환의 용어로 표현된다. 그러나 로런츠 위반 이론에서는 이 등가성이 실패하는데, 이는 고정된 배경장이 대칭 깨짐의 원천이기 때문이다. 이러한 배경장은 텐서와 같은 양으로, 선호하는 방향과 부스트 종속적인 효과를 생성한다. 이 장들은 모든 공간과 시간에 걸쳐 확장되며, 본질적으로 고정되어 있다. 배경장 중 하나에 민감한 실험이 회전하거나 부스트될 때, 즉 입자 변환될 때, 배경장은 변하지 않고 측정 가능한 효과가 가능하다. 관찰자 로런츠 대칭은 로런츠 위반 이론을 포함한 모든 이론에서 예상되는데, 이는 좌표 변경이 물리학에 영향을 미칠 수 없기 때문이다. 이러한 불변성은 스칼라 라그랑지언을 올바르게 수축된 시공간 지표와 함께 작성함으로써 장 이론에서 구현된다. 입자 로런츠 깨짐은 이론이 우주를 채우는 고정된 SME 배경장을 포함할 경우 발생한다.

SME 구축

[편집]

SME는 다양한 항을 포함하는 라그랑지언으로 표현될 수 있다. 각 로런츠 위반 항은 표준 장 연산자와 로런츠 위반 계수라고 불리는 제어 계수를 수축시켜 구성된 관찰자 스칼라이다. 이들은 매개변수가 아니라 이론의 예측이며, 적절한 실험을 통해 원칙적으로 측정될 수 있다. 계수들은 플랑크 스케일 억제 때문에 작을 것으로 예상되므로, 섭동 방법이 적절하다. 일부 경우에는[{{{설명}}}] 다른 억제 메커니즘이 큰 로런츠 위반을 숨길 수 있다. 예를 들어, 중력에 존재할 수 있는 큰 위반은 약한 중력장과의 결합 때문에 지금까지 감지되지 않았을 수 있다.[25] 이론의 안정성과 인과성은 상세하게 연구되었다.[26]

자발적 로런츠 대칭 깨짐

[편집]

장 이론에서 대칭 깨짐을 구현하는 두 가지 가능한 방법은 명시적 깨짐과 자발적 깨짐이다. 로런츠 위반의 형식 이론에서 핵심적인 결과는 2004년 코스텔레츠키에 의해 발표된 것으로, 명시적인 로런츠 위반은 비앙키 항등식과 에너지-운동량 및 스핀 밀도 텐서의 공변 보존 법칙 간의 비호환성으로 이어진다는 것이다. 반면 자발적인 로런츠 깨짐은 이러한 어려움을 회피한다.[3] 이 정리는 로런츠 대칭의 모든 깨짐이 동적인 것이어야 함을 요구한다. 로런츠 대칭 붕괴의 가능한 원인에 대한 형식적인 연구에는 예상되는 난부-골드스톤 모드의 운명에 대한 조사가 포함된다. 골드스톤 정리는 자발적인 깨짐이 질량이 없는 보손을 동반해야 함을 의미한다. 이러한 모드는 광자,[27] 중력자,[28][29] 스핀 종속 상호작용,[30] 그리고 스핀 독립 상호작용과 암흑 에너지로 식별될 수 있다.[25]

실험적 탐색

[편집]

어떤 실험에서든 로런츠 위반의 가능한 신호는 SME로부터 계산될 수 있다.[31][32][33][34][35][36] 따라서 이는 실험 물리학 전반에 걸쳐 로런츠 위반을 탐색하는 데 놀라운 도구가 되었다. 현재까지 실험 결과는 SME 계수의 상한값 형태로 나타났다. 결과는 다른 관성 기준 틀에 따라 수치적으로 달라지므로, 결과 보고에 채택된 표준 틀은 태양 중심 틀이다. 이 틀은 접근 가능하고 수백 년의 시간 척도에서 관성적이므로 실용적이고 적절한 선택이다.

일반적인 실험은 배경장과 스핀 (물리학) 또는 전파 방향과 같은 다양한 입자 특성 사이의 결합을 탐색한다. 로런츠 위반의 주요 신호 중 하나는 지구에서의 실험이 태양 중심 틀에 대해 필연적으로 회전하고 공전하기 때문에 발생한다. 이러한 움직임은 로런츠 위반에 대한 측정 계수의 연간 및 항성시 변동을 초래한다. 태양 주위 지구의 병진 운동은 비상대론적이므로, 연간 변동은 일반적으로 10−4 계수로 억제된다. 이로 인해 항성시 변동이 실험 데이터에서 찾아야 할 주요 시간 종속 효과가 된다.[37]

SME 계수 측정은 다음을 포함하는 실험으로 이루어졌다.

모든 SME 계수 실험 결과는 로런츠 및 CPT 위반 데이터 표에 정리되어 있다.[38]

같이 보기

[편집]

각주

[편집]
  1. ↑ 가 나 Colladay, Don; Kostelecký, V. Alan (1997년 6월 1일). 《CPT violation and the standard model》. 《Physical Review D》 55. 6760–6774쪽. arXiv:hep-ph/9703464. Bibcode:1997PhRvD..55.6760C. doi:10.1103/physrevd.55.6760. ISSN 0556-2821. S2CID 7651433. 
  2. ↑ 가 나 Colladay, D.; Kostelecký, V. Alan (1998년 10월 26일). 《Lorentz-violating extension of the standard model》. 《Physical Review D》 58. 116002쪽. arXiv:hep-ph/9809521. Bibcode:1998PhRvD..58k6002C. doi:10.1103/physrevd.58.116002. ISSN 0556-2821. S2CID 4013391. 
  3. ↑ 가 나 다 Kostelecký, V. Alan (2004년 5월 17일). 《Gravity, Lorentz violation, and the standard model》. 《Physical Review D》 69. 105009쪽. arXiv:hep-th/0312310. Bibcode:2004PhRvD..69j5009K. doi:10.1103/physrevd.69.105009. ISSN 1550-7998. S2CID 55185765. 
  4. ↑ Is Special Relativity Wrong? by Phil Schewe and Ben Stein, AIP Physics News Update Number 712 #1, December 13, 2004.
  5. ↑ Cho, A. (2005년 2월 11일). 《Special Relativity Reconsidered》. 《Science》 307. 866–868쪽. doi:10.1126/science.307.5711.866. ISSN 0036-8075. PMID 15705835. S2CID 28092885. 
  6. ↑ Has time run out on Einstein's theory?, CNN, June 5, 2002.
  7. ↑ Was Einstein Wrong? Space Station Research May Find Out, JPL News, May 29, 2002.
  8. ↑ Peering Over Einstein's Shoulders by J.R. Minkel, Scientific American, June 24, 2002.
  9. ↑ Greenberg, O. W. (2002년 11월 18일). 《CPT Violation Implies Violation of Lorentz Invariance》. 《Physical Review Letters》 89. 231602쪽. arXiv:hep-ph/0201258. Bibcode:2002PhRvL..89w1602G. doi:10.1103/physrevlett.89.231602. ISSN 0031-9007. PMID 12484997. S2CID 9409237. 
  10. ↑ Kostelecký, Alan. The Search for Relativity Violations. Scientific American.
  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. ↑ Kostelecký, V. Alan; Samuel, Stuart (1989년 1월 15일). 《Spontaneous breaking of Lorentz symmetry in string theory》. 《Physical Review D》 39. 683–685쪽. Bibcode:1989PhRvD..39..683K. doi:10.1103/physrevd.39.683. hdl:2022/18649. ISSN 0556-2821. PMID 9959689. 
  14. ↑ Breaking Lorentz symmetry, Physics World, Mar 10, 2004.
  15. ↑ Alan Kostelecký, V.; Potting, Robertus (1991). 《CPT and strings》. 《Nuclear Physics B》 359. 545–570쪽. Bibcode:1991NuPhB.359..545A. doi:10.1016/0550-3213(91)90071-5. hdl:2022/20736. ISSN 0550-3213. 
  16. ↑ Kostelecký, V. Alan; Potting, Robertus (1995년 4월 1일). 《CPT, strings, and meson factories》. 《Physical Review D》 51. 3923–3935쪽. arXiv:hep-ph/9501341. Bibcode:1995PhRvD..51.3923K. doi:10.1103/physrevd.51.3923. ISSN 0556-2821. PMID 10018860. S2CID 1472647. 
  17. ↑ IU Physicist offers foundation for uprooting a hallowed principle of physics 보관됨 2012-09-29 - 웨이백 머신, Indiana University News Room, January 5, 2009.
  18. ↑ New Ways Suggested to Probe Lorentz Violation, American Physical Society News, June 2008.
  19. ↑ Ball, Philip (2004). 《Back to the future》. 《Nature》 427. 482–484쪽. doi:10.1038/427482a. ISSN 0028-0836. PMID 14765166. S2CID 29609511. 
  20. ↑ Lorentz Violations? Not Yet by Phil Schewe, James Riordon, and Ben Stein, Number 623 #2, February 5, 2003.
  21. ↑ Lamoreaux, Steve K. (2002). 《Testing times in space》. 《Nature》 416. 803–804쪽. doi:10.1038/416803a. ISSN 0028-0836. PMID 11976666. S2CID 28341801. 
  22. ↑ Catching relativity violations with atoms by Quentin G. Bailey, APS Viewpoint, Physics 2, 58 (2009).
  23. ↑ Coleman, Sidney; Glashow, Sheldon L. (1999년 4월 28일). 《High-energy tests of Lorentz invariance》. 《Physical Review D》 59. 116008쪽. arXiv:hep-ph/9812418. Bibcode:1999PhRvD..59k6008C. doi:10.1103/physrevd.59.116008. ISSN 0556-2821. S2CID 1273409. 
  24. ↑ Kostelecký, V. Alan; Mewes, Matthew (2009년 7월 29일). 《Electrodynamics with Lorentz-violating operators of arbitrary dimension》. 《Physical Review D》 80. 015020쪽. arXiv:0905.0031. Bibcode:2009PhRvD..80a5020K. doi:10.1103/physrevd.80.015020. ISSN 1550-7998. S2CID 119241509. 
  25. ↑ 가 나 Kostelecký, V. Alan; Tasson, Jay D. (2009년 1월 5일). 《Prospects for Large Relativity Violations in Matter-Gravity Couplings》. 《Physical Review Letters》 102. 010402쪽. arXiv:0810.1459. Bibcode:2009PhRvL.102a0402K. doi:10.1103/physrevlett.102.010402. ISSN 0031-9007. PMID 19257171. S2CID 15236830. 
  26. ↑ Kostelecký, V. Alan; Lehnert, Ralf (2001년 2월 13일). 《Stability, causality, and Lorentz and CPT violation》. 《Physical Review D》 63. 065008쪽. arXiv:hep-th/0012060. Bibcode:2001PhRvD..63f5008K. doi:10.1103/physrevd.63.065008. ISSN 0556-2821. S2CID 119074843. 
  27. ↑ Bluhm, Robert; Kostelecký, V. Alan (2005년 3월 22일). 《Spontaneous Lorentz violation, Nambu-Goldstone modes, and gravity》. 《Physical Review D》 71. 065008쪽. arXiv:hep-th/0412320. Bibcode:2005PhRvD..71f5008B. doi:10.1103/physrevd.71.065008. ISSN 1550-7998. S2CID 119354909. 
  28. ↑ Kostelecký, V. Alan; Potting, Robertus (2009년 3월 19일). 《Gravity from spontaneous Lorentz violation》. 《Physical Review D》 79. 065018쪽. arXiv:0901.0662. Bibcode:2009PhRvD..79f5018K. doi:10.1103/physrevd.79.065018. ISSN 1550-7998. S2CID 119229843. 
  29. ↑ V.A. Kostelecký and R. Potting, Gravity from Local Lorentz Violation, Gen. Rel. Grav. 37, 1675 (2005).
  30. ↑ 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).
  31. ↑ Unification could be ripe for the picking, Physics World, Jan 13, 2009.
  32. ↑ Michelson–Morley experiment is best yet by Hamish Johnston, Physics World, Sep 14, 2009.
  33. ↑ Neutrinos: The key to a theory of everything by Marcus Chown, New Scientist Magazine issue 2615, 1 August 2007.
  34. ↑ Einstein's relativity survives neutrino test, Indiana University News Room, October 15, 2008.
  35. ↑ Relativity violations may make light by Francis Reddy, Astronomy Magazine, June 21, 2005.
  36. ↑ Antimatter and matter may have different properties 보관됨 2005-11-08 - 웨이백 머신, Indiana University News Room.
  37. ↑ Lorentz symmetry stays intact, Physics World, Feb 25, 2003.
  38. ↑ Kostelecký, V. Alan; Russell, Neil (2011년 3월 10일). 《Data tables for Lorentz and CPT violation》. 《Reviews of Modern Physics》 83. 11–31쪽. arXiv:0801.0287. Bibcode:2011RvMP...83...11K. doi:10.1103/revmodphys.83.11. ISSN 0034-6861. S2CID 3236027. 

외부 링크

[편집]
원본 주소 "https://ko.wikipedia.org/w/index.php?title=표준_모형_확장&oldid=40388456"