Extensão de modelo padrão - Standard-Model Extension

A Extensão do Modelo Padrão (SME) é uma teoria de campo eficaz que contém o Modelo Padrão , a relatividade geral e todos os operadores possíveis que quebram a simetria de Lorentz . Violações desta simetria fundamental podem ser estudadas dentro desta estrutura geral. A violação do CPT implica na quebra da simetria de Lorentz, e o SME inclui operadores que quebram e preservam a simetria do CPT .

Desenvolvimento

Em 1989, Alan Kostelecký e Stuart Samuel provaram que as interações nas teorias das cordas podem levar à quebra espontânea da simetria de Lorentz. Estudos posteriores indicaram que a gravidade quântica em loop, as teorias de campo não comutativas, os cenários do mundo da brana e os modelos de dinâmica aleatória também envolvem a quebra da invariância de Lorentz . O interesse na violação de Lorentz cresceu rapidamente nas últimas décadas porque pode surgir nessas e em outras teorias candidatas à gravidade quântica . No início da década de 1990, foi mostrado no contexto das supercordas bosônicas que as interações das cordas também podem quebrar espontaneamente a simetria do CPT . Este trabalho sugeriu que experimentos com interferometria Kaon seriam promissores para a busca de possíveis sinais de violação do CPT devido a sua alta sensibilidade.

O SME foi concebido para facilitar investigações experimentais da simetria de Lorentz e CPT , dada a motivação teórica para violação dessas simetrias. Um passo inicial, em 1995, foi a introdução de interações efetivas. Embora as interações de quebra de Lorentz sejam motivadas por construtos como a teoria das cordas , a ação efetiva de baixa energia que aparece no SME é independente da teoria subjacente. Cada termo na teoria efetiva envolve a expectativa de um campo tensorial na teoria subjacente. Esses coeficientes são pequenos devido à supressão da escala de Planck e , em princípio, são mensuráveis ​​em experimentos. O primeiro caso considerou a mistura de mésons neutros, pois sua natureza interferométrica os torna altamente sensíveis aos efeitos suprimidos.

Em 1997 e 1998, dois artigos de Don Colladay e Alan Kostelecký deram origem ao SME mínimo no espaço-tempo plano . Isso forneceu uma estrutura para a violação de Lorentz em todo o espectro de partículas do modelo padrão e forneceu informações sobre os tipos de sinais para novas pesquisas experimentais em potencial.

Em 2004, os principais termos de quebra de Lorentz em espaços-tempos curvos foram publicados, completando assim o quadro para o SME mínimo. Em 1999, Sidney Coleman e Sheldon Glashow apresentaram um limite isotrópico especial do SME. Termos de violação de Lorentz de ordem superior foram estudados em vários contextos, incluindo eletrodinâmica.

Transformações de Lorentz: observador vs. partícula

Artigo principal: Transformação ativa e passiva

A distinção entre transformações de partícula e de observador é essencial para entender a violação de Lorentz na física porque a violação de Lorentz implica uma diferença mensurável entre dois sistemas que diferem apenas por uma transformação de Lorentz de partícula .

Na relatividade especial , as transformações de Lorentz do observador relacionam medidas feitas em referenciais com diferentes velocidades e orientações. As coordenadas de um sistema são relacionadas às do outro por uma transformação de Lorentz do observador - uma rotação, um impulso ou uma combinação de ambos. Cada observador concordará com as leis da física , já que essa transformação é simplesmente uma mudança de coordenadas . Por outro lado, experimentos idênticos podem ser girados ou aumentados em relação uns aos outros, enquanto são estudados pelo mesmo observador inercial. Essas transformações são chamadas de transformações de partículas, porque a matéria e os campos do experimento são fisicamente transformados na nova configuração.

Em um vácuo convencional , as transformações do observador e das partículas podem estar relacionadas entre si de uma maneira simples - basicamente, uma é o inverso da outra. Essa aparente equivalência é freqüentemente expressa usando a terminologia de transformações ativas e passivas. A equivalência falha nas teorias que violam Lorentz, entretanto, porque os campos de fundo fixos são a fonte da quebra de simetria. Esses campos de fundo são quantidades semelhantes a tensores, criando direções preferidas e efeitos dependentes de aumento. Os campos se estendem por todo o espaço e tempo e são essencialmente congelados. Quando um experimento sensível a um dos campos de fundo é girado ou aumentado, ou seja, uma partícula transformada, os campos de fundo permanecem inalterados e efeitos mensuráveis ​​são possíveis. A simetria do observador Lorentz é esperada para todas as teorias, incluindo aquelas que violam Lorentz, uma vez que uma mudança nas coordenadas não pode afetar a física. Esta invariância é implementada em teorias de campo escrevendo um lagrangiano escalar , com índices de espaço-tempo adequadamente contraídos. A quebra de partícula de Lorentz entra se a teoria inclui campos fixos de fundo SME preenchendo o universo.

Construindo o SME

O SME pode ser expresso como um Lagrangiano com vários termos. Cada termo que viola Lorentz é um escalar de observador construído pela contratação de operadores de campo padrão com coeficientes de controle chamados coeficientes para violação de Lorentz . Estes não são parâmetros, mas sim previsões da teoria, uma vez que podem, em princípio, ser medidos por experimentos apropriados. Espera-se que os coeficientes sejam pequenos por causa da supressão da escala de Planck, então os métodos perturbativos são apropriados. Em alguns casos, outros mecanismos de supressão podem mascarar grandes violações de Lorentz. Por exemplo, grandes violações que podem existir na gravidade poderiam não ter sido detectadas até agora por causa de acoplamentos com campos gravitacionais fracos. Estabilidade e causalidade da teoria foram estudadas em detalhes.

Quebra espontânea de simetria de Lorentz

Artigo principal: quebra de simetria de Lorentz

Na teoria de campo, existem duas maneiras possíveis de implementar a quebra de uma simetria: explícita e espontânea. Um resultado importante na teoria formal da violação de Lorentz, publicada por Kostelecký em 2004, é que a violação explícita de Lorentz leva à incompatibilidade das identidades de Bianchi com as leis de conservação covariante para os tensores de energia-momento e densidade de spin , enquanto a quebra espontânea de Lorentz foge esta dificuldade. Este teorema requer que qualquer quebra da simetria de Lorentz deve ser dinâmica. Os estudos formais das possíveis causas da quebra da simetria de Lorentz incluem investigações do destino dos modos Nambu-Goldstone esperados. O teorema de Goldstone implica que a quebra espontânea deve ser acompanhada por bósons sem massa . Esses modos podem ser identificados com o fóton , o gráviton , interações dependentes de spin e interações independentes de spin.

Pesquisas experimentais

Os possíveis sinais de violação de Lorentz em qualquer experimento podem ser calculados a partir do SME. Portanto, provou ser uma ferramenta notável na busca por violação de Lorentz em todo o cenário da física experimental. Até o presente, os resultados experimentais têm assumido a forma de limites superiores nos coeficientes SME. Uma vez que os resultados serão numericamente diferentes para diferentes referenciais inerciais, o referencial padrão adotado para relatar os resultados é o referencial centrado no Sol. Esta moldura é uma escolha prática e adequada, uma vez que é acessível e inercial na escala de tempo de centenas de anos.

Experimentos típicos buscam acoplamentos entre os campos de fundo e várias propriedades das partículas, como spin ou direção de propagação. Um dos principais sinais de violação de Lorentz surge porque os experimentos na Terra estão inevitavelmente girando e girando em relação ao quadro centrado no Sol. Esses movimentos levam a variações anuais e siderais dos coeficientes medidos para violação de Lorentz. Uma vez que o movimento translacional da Terra em torno do Sol não é relativístico, as variações anuais são normalmente suprimidas por um fator de 10 -4 . Isso torna as variações siderais o principal efeito dependente do tempo a ser procurado em dados experimentais.

As medições dos coeficientes de SME foram feitas com experimentos envolvendo:

Todos os resultados experimentais para coeficientes SME são tabulados nas Tabelas de Dados para Violação de Lorentz e CPT.

Veja também

Referências

links externos