超流動-真空-理論

BEC真空理論とも呼ばれる超流動真空理論(SVT)は、基本的な物理的真空(除去不可能なバックグラウンド)が超流動体またはBose-Einstein凝縮液(BEC)と見なされる理論物理学および量子力学におけるアプローチです。
この物理的な真空の微視的構造は現在知られておらず、SVTの集中研究の対象である。 このアプローチの究極の目標は、量子力学4つの既知の基本的相互作用のうちの3つを重力と結びつける)を統一する科学的モデルを開発し、SVTを量子重力理論の候補とし、宇宙におけるすべての既知の相互作用を微視的 と天体スケール、同じエンティティの異なる症状として、超真空。

 

歴史
電磁波を維持する媒質としての光輝性エーテルの概念は、特殊相対性理論の出現後に捨てられた。古典物理学で考えられているように、オードはいくつかの矛盾を引き起こす。特に、各空間 - 時点で明確な速度を有するエーテルは好ましい方向を示す。これは、ライトコーン内のすべての方向が同等であるという相対論的要件と矛盾します。しかし、早ければ1951年にP.A.M.ディラック2枚の論文を発表し、そこでオードの流れにおける量子の変動を考慮する必要があると指摘した[1] [2]彼の議論は、時空間のaetherの速度に不確実性の原則を適用し、速度が明確な量ではないことを意味する。実際には、さまざまな値に分散されます。せいぜい、すべてのエーテル速度が等しく起こり得る完全な真空状態を表す波動関数によって、エーテルを表すことができる。これらの作品は、理論の出生地とみなすことができます。
ディラックのアイディアからインスパイアされたKP SinhaC. SivaramECG Sudarshan1975年にオードの新しいモデルを提案した一連の論文を発表した。このモデルによれば、巨視的に記述できるフェルミンとフェルミオン対の超流動状態波動関数[3] [4] [5]彼らは、たとえ超流動体自体が非相対論的であっても、超流動体の粒子の小さな変動がローレンツの対称性に従うことに注目した。それにもかかわらず、彼らは相対論的な問題として超流動体を扱うことに決めました。それをアインシュタインの場の方程式の応力エネルギーテンソルに入れます。これは、相対論的重力を超流動真空の小さな変動として記述することを許さなかった。
それ以来、いくつかの理論がSVTフレームワーク内で提案されてきた。それらは、バックグラウンド超流動体の構造および特性がどのように見えなければならないかが異なる。それらのいくつかを排除する観測データがなければ、これらの理論は独立して追求されている。

他の概念や理論との関係
ローレンツガリレイの対称性
このアプローチによれば、バックグラウンド超流動体は本質的に非相対論的であると仮定されるが、ローレンツ対称は自然の対称性ではなく、むしろ小さな変動に対してのみ有効な近似の記述である。そのような真空中に存在し、小さな変動を生成または測定することができる観察者は、それらのエネルギーおよび運動量がローレンツ崩壊補正を検出可能にするのに十分高い場合を除いて、それらを相対論的物体として観察するだろう。エネルギーおよび運動量が励起閾値以下であれば、超流動体のバックグラウンドは理想的な流体のように振る舞うため、Michelson-Morley型実験はそのようなエーテルからの抗力を観測しない[1] [2]
さらに、相対性理論では、粒子の速度が真空中の光の速度に比べて小さいとき、ガリレイの対称性(巨視的な非相対論的世界に関係する)は近似的なものとして生じる。 SVTではガリレイ1を得るためにローレンツ対称性をとる必要はない - ほとんどの非相対論的超流動体の分散関係は、大きな瞬間における非相対論的行動に従うことが知られている[7] [8] [9]
要約すると、真空超流動体の変動は、「小さな」[nb 1]モーメント(「フォノン限界」)において相対論的物体のように挙動する

非相対論的なもの

大きな運動量にまだ知られていない非自明な物理学は、これら2つの体制のどこかに位置すると考えられている。

相対論的量子場理論
相対論的量子場理論では、物理的な真空はまたある種のエネルギーを関連付けることができる、ある種の重要ではないと考えられている。これは、絶対空の空間(または「数学的真空」)の概念が量子力学の仮定と矛盾するからです。 QFTによれば、実際の粒子が存在しなくても、背景は常に、仮想粒子を生成し消滅させる対によって満たされる。しかしながら、そのような媒体を説明するための直接的な試みは、いわゆる紫外線発散をもたらす。量子力学のようないくつかのQFTモデルでは、これらの問題は、再正規化技術、すなわち、発散する物理的値を実験的に測定された値で置き換えることに

よって「解決」することができる。量子一般相対性理論のような他の理論では、このトリックは機能せず、信頼できる摂動理論を構築することはできません。
SVT
によると、これは、高エネルギー(「紫外線」)体制では、ローレンツ対称性が失敗し始め、従属理論はすべてのエネルギーとモーメントに対して有効とはみなされないからです。これに対応して、ローレンツ対称量子場モデルは明らかに真空エネルギー閾値以下の良好な近似値であるが、その近辺で相対論的記述はますます「効果的」になり、手による共変の場理論的行動。

曲がりくねった時空
一般相対性理論によれば、重力相互作用は、リーマン幾何学の数学的形式を用いて時空間曲率の観点から記述される。これは、低エネルギーの体制における数多くの実験や観測によって支持された。しかし、一般相対性理論量子化しようとする試みは様々な重大な問題を引き起こし、したがって、重力の微視的構造は依然として不明確である。このための根本的な理由があるかもしれません。一般相対性理論の自由度は、近似的で効果的であるにすぎません。一般相対性理論が有効な理論であるかどうかの問題は、長い間提起されてきた[10]
SVT
によると、湾曲した空間時間は、非相対論的背景凝縮の小振幅の集合的励起モードとして生じる[6] [11]これについての数学的記述は、アナログ重力モデルにおいても用いられている流体重力の類推と同様である[12]。したがって、相対論的重力は基本的に、背景モードに比べて振幅が小さい集団モードの長波長理論である。この要件の外に、リーマン幾何学の観点からの重力の湾曲空間記述は不完全または不明確になる。
宇宙定数
宇宙論定数の概念は相対論的な理論においてのみ意味があるので、SVTの枠組みの中では、この定数はバックグラウンド値を超える真空の小さな揺らぎのエネルギーであり、真空そのもののエネルギーではない。 [13]したがって、SVTでは、この定数は基本的な物理的意味を持たず、真空災害などの関連問題は最初に発生しません。

重力波と重力
一般相対性理論によれば、従来の重力波は、
    1.
湾曲した時空の小さな変動。
    2.
その源から分離され、独立して伝播する。
超流動真空理論は、これらの性質の両方を有する相対論的物体が自然界に存在する可能性を疑う。実際、アプローチによれば、曲線の時空そのものは、超流動体背景の小さな集合励起であるため、性質(1)は、重力が実際には「小さな変動の小さな変動」であることを意味し、物理的に頑強なコンセプトのようなものです(例えば、誰かが小さなフォノンフォノンの内部に導入しようとしたかのように)。その結果、一般相対性理論においては、重力場だけでは明確な応力 - エネルギーテンソルがなく、擬似センサーのみが存在することは偶然ではないかもしれない。[14]したがって、一般相対性理論である正確なローレンツ対称性を持つ理論では、(2)の性質を完全に正当化することはできない。 SVTは、Hulse-Taylorバイナリのような現在の重力波に起因する天体物理現象の原因となる可能性のある超流動背景の非局在波様励起の存在を事前に禁じているわけではない。しかし、そのような興奮は、完全相対論的理論の枠組みの中で正しく記述することはできない。

質量生産とヒッグスボゾン
Higgs
ボゾンは、弱ボゾンに質量を与えるために電弱理論に導入されたスピン0粒子です。ヒッグス塊自体の質量の起源は、電弱理論によって説明されていない。代わりに、この質量は、ヒッグスポテンシャルを用いて自由パラメータとして導入されるため、標準モデルのもう1つの自由パラメータになります。[15]標準モデル(またはその拡張)の枠組みの中で、このパラメータ値の理論的推定値は間接的にのみ可能であり、結果はお互いに大きく異なる[16]。したがって、ヒッグスボゾン(または予め定義された質量を有する任意の他の基本粒子)のみの使用は、質量発生問題の最も基本的な解決策ではなく、その再定式化のみを無限にすることである。 Glashow-Weinberg-Salamモデルのもう一つの既知の問題は、対称破断スケールを超えるエネルギーのためのヒッグス部門(断絶されていない)の質量用語の間違った兆候である。
SVT
は電弱ヒッグス粒子の存在を明示的に禁止していないが、超伝導体や超流動体のギャップ生成機構と同様に、基本粒子が真空凝縮体との相互作用により質量を獲得するという基本的な質量生成機構について独自の考えを持っている。 [11] [17]この考えはまったく新しいものではないが、相対論的Coleman-Weinbergのアプローチを思い起こさせることができる[18]SVTは対称性を破る相対論的スカラー場に、超臨界流体の小さな変動を記述するものとして意味を与える。特定の条件。[19]一般的に、次の2つのシナリオが可能です。

ヒッグスボゾンが存在する:この場合、SVTはエレクトロウィークの基礎となる質量生成メカニズムを提供し、ヒッグスボゾン自体の質量の起源を説明する。
    

ヒッグスボゾンは存在しません。弱いボゾンは真空凝縮物と直接相互作用して質量を獲得します

このように、ヒッグスボゾンは、たとえ存在していても、その原因ではなく、基本的な質量発生現象の副産物となるであろう。
また、SVTのいくつかのバージョンでは、4ポテンシャルではなく対数ポテンシャルに基づく波動方程式が好まれます。 前者の可能性は、自発的な対称性の破壊に必要なメキシカンハットの形状だけでなく、真空の説明に適したいくつかの他の特徴も有する。

対数BEC真空理論
このモデルでは、物理的な真空は、対数シュレーディンガー方程式によって基底状態波動関数が記述されている強相関量子ボーズ液体であると推測される。相対論的な重力相互作用は小振幅の集合的な励起モードとして生じるのに対して、相対論的な基本粒子は、低エネルギーおよびモーメントの限界において粒子様のモードによって記述することができることが示された。この理論と他のものとの本質的な相違は、対数的な超流動体において、変動の最大速度は先行(古典的)な順序で一定であるということである。これにより、相対論の仮定を完全に回復させることができます。
提案された理論は、多くの観察結果を有する。彼らは、高エネルギーとモーメントにおいて、粒子様モードの挙動は相対論的なものとは事実上異なるという事実に基づいており、有限エネルギーで光の限界に達する可能性がある[20]。他の予測される効果の中には、超光速の伝搬と真空チェレンコフ放射がある[21]
理論は、エレクトロウィークヒッグスを置き換えるか、または変更するはずの質量生成メカニズムを提唱する。超伝導体のギャップ生成機構と同様に超真空との相互作用の結果、素粒子の質量が発生することが示された[11]例えば、平均星間真空中を伝搬する光子は、約1035電子ボルトと推定される小さな質量を獲得する。 Glashow-Weinberg-Salamモデルで用いられているものとは異なるヒッグスセクターの有効な可能性を導くこともできるが、それは質量生成をもたらし、虚数質量問題[nb 2]は従来のヒッグスの可能性[19]