La extensión del modelo estándar (SME) es una teoría de campo efectiva que contiene el modelo estándar , la relatividad general y todos los operadores posibles que rompen la simetría de Lorentz . [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Las violaciones de esta simetría fundamental pueden estudiarse dentro de este marco general. La violación de CPT implica la ruptura de la simetría de Lorentz, [9] y el SME incluye operadores que rompen y preservan la simetría de CPT . [10] [11] [12]
Desarrollo
En 1989, Alan Kostelecký y Stuart Samuel demostraron que las interacciones en las teorías de cuerdas podían conducir a la ruptura espontánea de la simetría de Lorentz. [13] Estudios posteriores han indicado que la gravedad cuántica de bucles, las teorías de campos no conmutativos, los escenarios de mundos de brana y los modelos de dinámica aleatoria también implican la ruptura de la invariancia de Lorentz . [14] El interés en la violación de Lorentz ha crecido rápidamente en las últimas décadas porque puede surgir en estas y otras teorías candidatas a la gravedad cuántica . A principios de la década de 1990, se demostró en el contexto de las supercuerdas bosónicas que las interacciones de las cuerdas también pueden romper espontáneamente la simetría CPT . Este trabajo [15] sugirió que los experimentos con interferometría de kaon serían prometedores para buscar posibles señales de violación de CPT debido a su alta sensibilidad.
El SME fue concebido para facilitar las investigaciones experimentales de la simetría de Lorentz y CPT , dada la motivación teórica para la violación de estas simetrías. Un paso inicial, en 1995, fue la introducción de interacciones efectivas. [16] [17] Aunque las interacciones de ruptura de Lorentz están motivadas por constructos como la teoría de cuerdas , la acción efectiva de baja energía que aparece en el SME es independiente de la teoría subyacente. Cada término de la teoría efectiva implica la expectativa de un campo tensorial en la teoría subyacente. Estos coeficientes son pequeños debido a la supresión de la escala de Planck y , en principio, se pueden medir en experimentos. El primer caso consideró la mezcla de mesones neutros, porque su naturaleza interferométrica los hace altamente sensibles a los efectos suprimidos.
En 1997 y 1998, dos artículos de Don Colladay y Alan Kostelecký dieron a luz al SME mínimo en el espacio-tiempo plano . [1] [2] Esto proporcionó un marco para la violación de Lorentz en todo el espectro de partículas del modelo estándar y proporcionó información sobre los tipos de señales para posibles nuevas búsquedas experimentales. [18] [19] [20] [21] [22]
En 2004, se publicaron los principales términos que rompen con Lorentz en espaciotiempos curvos, [3] completando así la imagen de la PYME mínima. En 1999, Sidney Coleman y Sheldon Glashow presentaron un límite isotrópico especial del SME. [23] Los términos de violación de Lorentz de orden superior se han estudiado en varios contextos, incluida la electrodinámica. [24]
Transformaciones de Lorentz: observador vs partícula
La distinción entre transformaciones de partículas y de observadores es esencial para comprender la violación de Lorentz en física porque la violación de Lorentz implica una diferencia medible entre dos sistemas que difieren solo por una transformación de Lorentz de partículas .
En la relatividad especial , las transformaciones de Lorentz del observador relacionan las mediciones realizadas en marcos de referencia con diferentes velocidades y orientaciones. Las coordenadas de un sistema están relacionadas con las del otro mediante una transformación de Lorentz del observador: una rotación, un impulso o una combinación de ambos. Cada observador estará de acuerdo con las leyes de la física , ya que esta transformación es simplemente un cambio de coordenadas . Por otro lado, experimentos idénticos pueden rotarse o potenciarse entre sí, mientras son estudiados por el mismo observador inercial. Estas transformaciones se denominan transformaciones de partículas, porque la materia y los campos del experimento se transforman físicamente en la nueva configuración.
En un vacío convencional , las transformaciones del observador y de las partículas pueden relacionarse entre sí de una manera simple; básicamente, una es la inversa de la otra. Esta aparente equivalencia se expresa a menudo utilizando la terminología de transformaciones activas y pasivas. Sin embargo, la equivalencia falla en las teorías que violan Lorentz porque los campos de fondo fijos son la fuente de la ruptura de la simetría. Estos campos de fondo son cantidades de tipo tensor, creando direcciones preferidas y efectos dependientes del impulso. Los campos se extienden por todo el espacio y el tiempo, y están esencialmente congelados. Cuando un experimento sensible a uno de los campos de fondo se rota o aumenta, es decir, se transforma en partículas, los campos de fondo permanecen sin cambios y son posibles efectos medibles. Se espera la simetría del observador Lorentz para todas las teorías, incluidas las que violan Lorentz, ya que un cambio en las coordenadas no puede afectar la física [ aclaración necesaria ] . Esta invariancia se implementa en las teorías de campo escribiendo un lagrangiano escalar , con índices espaciotemporales contraídos adecuadamente. La partícula de Lorentz se rompe si la teoría incluye campos de fondo de SME fijos que llenan el universo.
Construyendo la PYME
La PYME se puede expresar como lagrangiana con varios términos. Cada término que viola Lorentz es un escalar de observador construido mediante la contratación de operadores de campo estándar con coeficientes de control llamados coeficientes para la violación de Lorentz . Estos no son parámetros, sino más bien predicciones de la teoría, ya que, en principio, pueden medirse mediante experimentos apropiados. Se espera que los coeficientes sean pequeños debido a la supresión de la escala de Planck, por lo que los métodos perturbativos son apropiados. En algunos casos [ ¿cuál? ] , otros mecanismos de supresión podrían enmascarar grandes violaciones de Lorentz. Por ejemplo, las grandes violaciones que pueden existir en la gravedad podrían haber pasado desapercibidas hasta ahora debido a acoplamientos con campos gravitacionales débiles. [25] La estabilidad y causalidad de la teoría se han estudiado en detalle. [26]
Ruptura espontánea de la simetría de Lorentz
En la teoría de campo, hay dos formas posibles de implementar la ruptura de una simetría: explícita y espontánea. Un resultado clave de la teoría formal de la violación de Lorentz, publicada por Kostelecký en 2004, es que la violación explícita de Lorentz conduce a la incompatibilidad de las identidades Bianchi con las leyes de conservación covariantes para los tensores de energía-momento y densidad de espín , mientras que la ruptura espontánea de Lorentz evita esta dificultad. [3] Este teorema requiere [ aclaración necesaria ] que cualquier ruptura de la simetría de Lorentz debe ser dinámica. Los estudios formales de las posibles causas de la ruptura de la simetría de Lorentz incluyen investigaciones sobre el destino de los modos esperados de Nambu-Goldstone. El teorema de Goldstone implica que la ruptura espontánea debe ir acompañada de bosones sin masa . Estos modos pueden identificarse con el fotón , [27] el gravitón , [28] [29] interacciones dependientes de espín, [30] e interacciones independientes de espín. [25]
Búsquedas experimentales
Las posibles señales de violación de Lorentz en cualquier experimento se pueden calcular a partir del SME. [31] [32] [33] [34] [35] [36] Por lo tanto, ha demostrado ser una herramienta notable en la búsqueda de la violación de Lorentz en el panorama de la física experimental. Hasta el momento, los resultados experimentales han adoptado la forma de límites superiores de los coeficientes de las PYME. Dado que los resultados serán numéricamente diferentes para diferentes marcos de referencia inerciales, el marco estándar adoptado para informar los resultados es el marco centrado en el sol. Este marco es una opción práctica y apropiada, ya que es accesible e inercial en la escala de tiempo de cientos de años.
Los experimentos típicos buscan acoplamientos entre los campos de fondo y varias propiedades de las partículas, como el giro o la dirección de propagación. Una de las señales clave de la violación de Lorentz surge porque los experimentos en la Tierra inevitablemente giran y giran en relación con el marco centrado en el Sol. Estos movimientos conducen a variaciones tanto anuales como sidéreas de los coeficientes medidos para la violación de Lorentz. Dado que el movimiento de traslación de la Tierra alrededor del Sol no es relativista, las variaciones anuales suelen ser suprimidas por un factor de 10 −4 . Esto hace que las variaciones siderales sean el principal efecto dependiente del tiempo que se debe buscar en los datos experimentales. [37]
Las mediciones de los coeficientes de las PYME se han realizado con experimentos que incluyen:
- birrefringencia y dispersión de fuentes cosmológicas
- mediciones de comparación de reloj
- Polarización CMB
- experimentos de colisionador
- cavidades resonantes electromagnéticas
- principio de equivalencia
- calibre y partículas de Higgs
- observaciones astrofísicas de alta energía
- pruebas de laboratorio y gravimétricas de gravedad
- interferometría de materia
- oscilaciones de neutrinos
- oscilaciones y desintegraciones de los mesones K, B, D
- comparaciones partícula-antipartícula
- Gravedad post-newtoniana en el sistema solar y más allá
- partículas de segunda y tercera generación
- misiones espaciales
- espectroscopia de hidrógeno y antihidrógeno
- materia polarizada por espín.
Todos los resultados experimentales para los coeficientes SME se tabulan en las Tablas de datos para Lorentz y CPT Violación. [38]
Ver también
- Pruebas de antimateria de violación de Lorentz
- Electrodinámica que viola Lorentz
- Oscilaciones de neutrinos que violan Lorentz
- Modelos de abejorro
- Pruebas de relatividad especial
- Prueba las teorías de la relatividad especial
Referencias
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enlaces externos
- Información de antecedentes sobre Lorentz y la violación de CPT
- Tablas de datos para infracción de Lorentz y CPT