표준 모형 확장

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

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

 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

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

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

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.

• 우주론적 원천에서 발생하는 복굴절 및 분산
• 시계-비교 측정
• 우주 마이크로파 배경 편광
• 충돌기 실험
• 전자기 공명 공동
• 등가원리
• 게이지 및 힉스 입자
• 고에너지 천체물리학 관측
• 중력의 실험실 및 중력 측정 시험
• 물질 간섭계
• 중성미자 진동
• K, B, D 중간자의 진동 및 붕괴
• 입자-반입자 비교
• 태양계 및 그 너머의 후뉴턴 중력
• 2세대 및 3세대 입자
• 우주 기반 임무
• 수소 및 반수소 분광학
• 스핀 편극 물질

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

같이 보기

• 반물질 로런츠 위반 테스트
• 로런츠 위반 전자기학
• 로런츠 위반 중성미자 진동
• 벌레비 모델
• 특수 상대성이론 시험
• 특수 상대성이론의 시험 이론