Нарушение Лоренц-инвариантности: поиск за пределами Стандартной модели

Автор: Денис Аветисян

Новое исследование рассматривает, как высокоэнергетические столкновения частиц могут помочь обнаружить отклонения от фундаментальных законов физики, используя Z-бозоны в качестве ключевого индикатора.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал

На графике представлена намеренно преувеличенная демонстрация различий в сечениях взаимодействия частиц, позволяющая подчеркнуть контраст между вероятностями различных процессов, происходящих при столкновениях.

В статье анализируется возможность выявления нарушения Лоренц-инвариантности на коллайдерах посредством точных измерений массы Z-бозонов в процессе Дрелла-Яна.

Фундаментальный принцип Лоренц-инвариантности, лежащий в основе современной физики, допускает возможность нарушения, открывая путь к физике за пределами Стандартной модели. В работе, озаглавленной ‘Probing Lorentz Invariance Violation at High-Energy Colliders via Intermediate Massive Boson Mass Measurements: Z Boson Example’, исследуется, как нарушения Лоренц-инвариантности могут проявиться в экспериментах на коллайдерах через модификации дисперсионных соотношений Z-бозонов. Показано, что прецизионные измерения масс резонансов на коллайдерах способны выявить нарушения Лоренц-инвариантности с чувствительностью порядка $10^{-9}$, сопоставимой с ограничениями, полученными из наблюдений космических лучей. Смогут ли будущие коллайдеры пролить свет на природу этих нарушений и открыть новые горизонты в понимании фундаментальных законов Вселенной?

Симметрия Вселенной и вызов Стандартной модели

Лоренц-инвариантность представляет собой фундаментальный принцип современной физики, лежащий в основе Стандартной модели и нашего понимания пространства-времени. Этот принцип утверждает, что законы физики остаются неизменными для всех инерциальных систем отсчета — то есть, для наблюдателей, движущихся с постоянной скоростью относительно друг друга. Именно эта инвариантность позволяет объединить пространство и время в единый континуум, описываемый специальной теорией относительности Эйнштейна. $c$ — скорость света в вакууме — играет ключевую роль, являясь универсальной константой, не зависящей от движения источника или наблюдателя. Стандартная модель, описывающая фундаментальные частицы и взаимодействия, построена на предпосылке абсолютной справедливости этого принципа, и любые отклонения от него могли бы радикально изменить наше представление о Вселенной, открывая путь к новым физическим теориям.

Несмотря на впечатляющие успехи в объяснении фундаментальных сил и частиц, Стандартная модель физики сталкивается с принципиальными ограничениями. Ключевая проблема заключается в её несовместимости с гравитацией — одной из четырех фундаментальных сил, описывающей взаимодействие масс. Более того, модель предполагает, что известные физические законы остаются неизменными при любых изменениях скорости или направления движения во времени и пространстве — принцип, известный как Лоренц-инвариантность. Однако, на экстремально высоких энергиях, которые существовали в первые моменты после Большого взрыва или могут присутствовать вблизи чёрных дыр, эта инвариантность может нарушаться. Теоретические изыскания показывают, что такие нарушения Лоренц-инвариантности, если они будут обнаружены экспериментально, укажут на существование новой физики, выходящей за рамки Стандартной модели, и потенциально могут пролить свет на загадки темной материи и темной энергии.

Теоретические построения, такие как конструкция Горавы и спонтанное нарушение симметрии Лоренца, исследуют гипотетические сценарии, в которых фундаментальная симметрия пространства-времени может быть нарушена. Эти модели предполагают, что на очень высоких энергиях или в экстремальных гравитационных условиях, законы физики, основанные на инвариантности Лоренца, могут перестать выполняться. Конструкция Горавы, например, предлагает модификацию общей теории относительности, в которой симметрия Лоренца нарушается на ультрафиолетовых масштабах, что потенциально решает проблему перенормировки. Спонтанное нарушение симметрии Лоренца, в свою очередь, предполагает, что вакуум может обладать предпочтительным направлением, что приводит к анизотропии в распространении света и других физических явлений. Изучение этих сценариев, хотя и остается в области теоретической физики, открывает путь к пониманию природы гравитации на квантовом уровне и поиску новых физических явлений, выходящих за рамки Стандартной модели.

Обнаружение каких-либо отклонений от инвариантности Лоренца стало бы революционным событием в физике, указывающим на необходимость пересмотра фундаментальных основ современной Стандартной модели. Предполагается, что нарушение этой симметрии может проявляться в различных формах, например, в изменении скорости света в зависимости от энергии фотонов или в анизотропии распространения космических лучей. Природа тёмной материи и тёмной энергии, составляющих подавляющую часть массы-энергии Вселенной, до сих пор остается загадкой. Некоторые теоретические модели предполагают, что нарушение симметрии Лоренца может быть связано с взаимодействием частиц тёмного сектора, предоставляя потенциальный механизм для объяснения их природы и свойств. Подобные открытия не только расширили бы наше понимание фундаментальных законов физики, но и могли бы привести к разработке новых технологий и материалов с уникальными свойствами.

Космические посланники и первые тесты: Поиск в небесах

Наблюдения за ультравысокоэнергетическими космическими лучами предоставляют возможность косвенного поиска нарушения Лоренц-инвариантности. Теоретически, нарушение Лоренц-инвариантности может приводить к зависимости времени прибытия частиц от их энергии. Это означает, что фотоны и другие частицы с разными энергиями, испущенные одновременно от одного источника, могут прибывать к наблюдателю в разное время. Анализ времени прибытия ультравысокоэнергетических космических лучей позволяет установить ограничения на величину этой задержки и, следовательно, проверить справедливость Лоренц-инвариантности на экстремально высоких энергиях, недостижимых в лабораторных условиях. Выявление энергетической зависимости времени прибытия стало бы прямым указанием на нарушение фундаментальной симметрии.

Сверхновая SN1987A предоставила раннее экспериментальное подтверждение ограничений на разницу в скорости между нейтрино и фотонами. Нейтрино, зарегистрированные детекторами, такими как Kamiokande II и IMB, прибыли к Земле примерно за несколько часов до пика оптического излучения сверхновой. Учитывая расстояние до Сверхновой 1987A, около 168 000 световых лет, эта разница во времени позволила установить верхний предел на разницу в скорости нейтрино и фотонов. Анализ данных показал, что если нейтрино и фотоны распространяются с разными скоростями, то эта разница не может превышать порядка $10^{-9}$ скорости света. Это стало важным ограничением на возможные нарушения Лоренц-инвариантности и подтверждением стандартной модели физики частиц.

Измерения времени пролета нейтрино, проводимые на установках, таких как Super-Kamiokande, постоянно уточняют пределы возможных отклонений от постоянства скорости света. Эти эксперименты основаны на регистрации нейтрино, испущенных в астрофизических событиях, таких как вспышки сверхновых, и точной фиксации времени их прибытия. Анализ этих данных позволяет установить верхние границы на разницу во времени прибытия фотонов и нейтрино, тем самым проверяя инвариантность Лоренца на очень высоких энергиях. Текущие эксперименты стремятся обнаружить даже самые незначительные отклонения, что требует высокой точности измерения времени и тщательного учета систематических ошибок. Улучшение детекторов и увеличение статистики наблюдений позволяют постепенно сужать пределы, устанавливаемые на возможные нарушения симметрии Лоренца.

Астрономические наблюдения, такие как изучение сверхвысокоэнергетических космических лучей и анализ событий вроде вспышки сверхновой SN1987A, предоставляют косвенные, но ценные данные для проверки принципа Лоренц-инвариантности при экстремальных энергиях. Поскольку прямые лабораторные эксперименты ограничены в достижении таких энергий, астрофизические наблюдения служат важным дополнением. Анализ времени прибытия частиц, например, нейтрино, позволяет установить ограничения на возможные нарушения Лоренц-инвариантности, оценивая разницу во времени прибытия частиц, испущенных одновременно. Хотя эти наблюдения не предоставляют прямого доказательства, они позволяют сузить диапазон параметров, в которых возможны отклонения от стандартной модели физики.

Коллайдерная физика и прецизионные тесты: Проверка нарушения Лоренц-инвариантности в лаборатории

Большой адронный коллайдер (БАК) предоставляет уникальные возможности для поиска нарушений Лоренц-инвариантности посредством прецизионных измерений свойств элементарных частиц. Высокая энергия и интенсивность пучков, а также возможность регистрации продуктов распада с высокой точностью, позволяют исследовать отклонения от стандартной модели физики частиц, предсказывающие строгое соблюдение Лоренц-инвариантности. Измерение масс, времен жизни, сечений рассеяния и угловых распределений частиц позволяет установить ограничения на параметры, описывающие возможные нарушения Лоренц-инвариантности на уровне, недостижимом в других экспериментах. Точность измерений на БАК позволяет исследовать эффекты нарушения Лоренц-инвариантности, которые могут проявляться в виде небольших модификаций дисперсионных соотношений частиц или отклонений от ожидаемых шаблонов распада.

Процесс Дрелла-Яна является ключевым механизмом для производства и изучения векторных бозонов, таких как Z-бозон и W-бозон, на коллайдерах. В данном процессе, высокоэнергетичные адроны сталкиваются, и их кварки и глюоны (описываемые функциями распределения частиц — PDFs) взаимодействуют, образуя виртуальный фотон или Z-бозон. Этот виртуальный бозон затем распадается на пару лептонов или кварков, которые детектируются. Использование PDFs необходимо для точного моделирования начальных состояний адронов и предсказания сечения взаимодействия, что критически важно для поиска отклонений от Стандартной модели, в том числе и признаков нарушения Лоренц-инвариантности.

Модификация кинетических членов лагранжиана, основанная на требованиях калибровочной инвариантности и перенормируемости взаимодействия, предоставляет теоретическую основу для введения нарушения Лоренц-инвариантности во взаимодействия векторных бозонов. Данный подход предполагает внесение изменений в кинетические члены, описывающие распространение векторных бозонов, при сохранении фундаментальных принципов калибровочной теории. Требование калибровочной инвариантности обеспечивает согласованность теории с экспериментальными данными, а перенормируемость гарантирует, что предсказания теории остаются конечными и физически значимыми при высоких энергиях. В рамках этой модели нарушение Лоренц-инвариантности проявляется в виде дополнительных членов в лагранжиане, которые нарушают симметрию пространства-времени и могут приводить к наблюдаемым отклонениям в свойствах векторных бозонов, таких как их масса и сечения рассеяния.

Эксперименты на коллайдерах направлены на обнаружение незначительных изменений в дисперсионных соотношениях частиц или отклонений от ожидаемых шаблонов распада. Теоретически, это может проявиться в виде процентных изменений сечения взаимодействия при значениях $|δ_{LIV}| \approx 10^{-8}$ . Кроме того, существует вероятность обнаружения сдвига массы Z-бозона до 2.5 МэВ при высоких значениях быстроты (rapidity). Текущая экспериментальная неопределенность измерения массы Z-бозона составляет 2.1 МэВ, что делает данный диапазон потенциально доступным для обнаружения отклонений, указывающих на нарушение Лоренц-инвариантности.

Нейтринный фронт: PeV энергии и за его пределами

Обсерватория IceCube, расположенная в Антарктиде, представляет собой уникальную установку для поиска нарушений Лоренц-инвариантности в области сверхвысоких энергий — петаэлектронвольт (PeV). В отличие от коллайдеров, которые ограничены энергиями, достижимыми в лабораторных условиях, IceCube использует космические нейтрино, обладающие чрезвычайно высокими энергиями, возникающими в астрофизических процессах. Ее огромный объем льда служит детектором, способным регистрировать каскады частиц, образующиеся при взаимодействии нейтрино, что позволяет с высокой точностью измерять их энергию и направление прилета. Именно сочетание высокой чувствительности к PeV-нейтрино и возможности регистрации космических частиц делает IceCube незаменимым инструментом для проверки фундаментальных законов физики и поиска отклонений от стандартной модели, которые могут указывать на новые физические явления, связанные с нарушением Лоренц-инвариантности.

Анализ времен прибытия и энергий космических нейтрино, осуществляемый обсерваторией IceCube, позволяет накладывать ограничения на возможные модификации дисперсионного соотношения. В стандартной физике это соотношение связывает энергию частицы с ее импульсом, однако некоторые теории, предсказывающие нарушение Лоренц-инвариантности, предполагают отклонения от этой зависимости на высоких энергиях. IceCube, регистрируя нейтрино сверхвысоких энергий, способно улавливать мельчайшие различия во времени прибытия нейтрино, которые возникли бы из-за изменения скорости распространения, обусловленного модифицированным дисперсионным соотношением $E^2 = p^2c^2 + m^2c^4$ . Чем точнее измерены энергии и времена прибытия, тем строже ограничения, которые можно наложить на параметры, определяющие эти модификации, что позволяет проверять фундаментальные основы физики элементарных частиц и космологии.

Связь между эффективной массой и модификацией дисперсионного соотношения играет ключевую роль в интерпретации экспериментальных результатов, полученных детектором IceCube. Изменения в дисперсионном соотношении, описывающие зависимость энергии частицы от её импульса, могут проявляться как зависимость скорости нейтрино от его энергии. Эта зависимость, в свою очередь, влияет на эффективную массу нейтрино, которую можно измерить, наблюдая за временем его прибытия. $E^2 = p^2c^2 + m_{eff}^2c^4$ , где $m_{eff}$ — эффективная масса, включающая вклад от модификации дисперсионного соотношения. Анализ прибытия высокоэнергетических нейтрино позволяет установить ограничения на величину этой модификации и, следовательно, оценить потенциальные отклонения от стандартной модели физики частиц, а также связать эти результаты с другими экспериментами, например, измерениями массы W-бозона, где наблюдается статистически значимое отклонение.

Совместный анализ данных, полученных с различных экспериментальных установок — от коллайдеров до астрофизических обсерваторий, включая IceCube — позволяет составить всеобъемлющую картину инвариантности Лоренца на разных энергетических масштабах. Результаты этих исследований демонстрируют возможность отклонений от стандартной модели физики, и, что особенно интересно, согласуются с недавними наблюдениями, указывающими на расхождение в измерениях массы W-бозона, составляющее около 65 МэВ. Данное расхождение, качественно согласующееся с отрицательным значением $δ_{LIV}$ — параметром, характеризующим нарушение Лоренц-инвариантности — предполагает, что фундаментальные симметрии могут быть нарушены на очень высоких энергиях, что открывает новые горизонты для поиска «новой физики» за пределами Стандартной модели.

Исследование, посвященное поиску нарушений Лоренц-инвариантности через измерения массы Z-бозона, словно обнажает фундаментальную тревожность самой модели Стандартной модели. В попытках уловить малейшие отклонения от предсказанного поведения частиц, физики, по сути, ищут трещины в завесе, скрывающей более глубокие закономерности. Как заметил Иммануил Кант: «Две вещи наполняют душу всегда новым и все более сильным удивлением и благоговением — звездное небо надо мной и моральный закон во мне». Здесь, подобно исследованию звездного неба, физики пытаются разгадать «моральный закон» Вселенной, исследуя пределы применимости существующих теорий и намекая на необходимость новых парадигм. Нарушение Лоренц-инвариантности, если оно будет обнаружено, станет не просто экспериментальным фактом, а философским вызовом, заставляющим переосмыслить природу пространства и времени.

Что дальше?

Представленная работа, исследуя потенциальные проявления нарушения Лоренц-инвариантности через измерения массы Z-бозона, лишь приоткрывает дверь в обширную область, где привычные представления о пространстве и времени могут оказаться не более чем удобной иллюзией. Ошибки в измерениях, отклонения от теоретических предсказаний — это не шум, а смысл. Каждое из них — окно в человеческую природу, в нашу потребность упорядочить хаос, даже если сам порядок — лишь проекция наших когнитивных ограничений.

Дальнейшие исследования потребуют не только повышения точности экспериментов на коллайдерах, но и смелого пересмотра теоретических моделей. Необходимо учитывать, что нарушения Лоренц-инвариантности, если они и существуют, могут проявляться нелинейно, требуя сложных математических построений и, возможно, отказа от упрощающих предположений, которыми изобилует современная физика элементарных частиц. Проблема не в поиске новой формулы, а в признании, что сама концепция “формулы” может быть несовершенна.

В конечном счете, поиск за пределами Стандартной модели — это не столько научная задача, сколько философский эксперимент. Это попытка понять, насколько глубоко наши представления о реальности укоренены в биологических ограничениях, и можем ли мы когда-нибудь выйти за пределы этой самосозданной тюрьмы. И, возможно, самое важное — признать, что даже самые точные измерения — это лишь приближение к истине, а истина, как и человек, склонна к ошибкам.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2512.22916.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-12-31 14:12