MICROSCOPE 对新力强度的限制及其与引力和电磁力的比较
高能物理 - 唯象学
2019-04-05 v2 广义相对论与量子宇宙学
摘要
极弱的新力可能导致对等效原理的明显违背。MICROSCOPE 实验意味着,与引力相比,新的长程力的相对强度在 2 σ 2\sigma 2 σ 下被限制为:对于耦合到 B , L , B − L , B + L B,\ L,\ B-L,\ B+L B , L , B − L , B + L 或 3 B + L 3B+L 3 B + L ,有 ∣ α ˉ g ∣ < 3.2 10 − 11 , 2.3 10 − 13 , 2.2 10 − 13 , 6.7 10 − 13 |\bar\alpha_g|<3.2\ 10^{-11},2.3\ 10^{-13},2.2\ 10^{-13},6.7\ 10^{-13} ∣ α ˉ g ∣ < 3.2 1 0 − 11 , 2.3 1 0 − 13 , 2.2 1 0 − 13 , 6.7 1 0 − 13 和 1.5 10 − 12 1.5\ 10^{-12} 1.5 1 0 − 12 ;或者,对于耦合到同位旋,有 ∣ α g ∣ < 8.4 10 − 12 |\alpha_g|<8.4\ 10^{-12} ∣ α g ∣ < 8.4 1 0 − 12 。这相对于耦合到 B B B 的灵敏度提高了 ≃ 3 \simeq 3 ≃ 3 倍,在其他情形中(包括由大统一所建议的 B − L B-L B − L )提高到约 15 倍。这需要注意 α ˉ g \bar\alpha_g α ˉ g 的定义。耦合到 L L L (或 B − L B-L B − L )的力将仅有效地作用于质子(或中子),其相对强度对于平均核子从 α g \alpha_g α g 减小到约 α ˉ g = α g / 4 \bar\alpha_g=\alpha_g/4 α ˉ g = α g /4 。因此方便地视此类力作用于 Q ˉ = B , 2 L , 2 ( B − L ) , 2 ( B + L ) / 3 \bar Q =B,\ 2L,\ 2(B-L),2(B+L)/3 Q ˉ = B , 2 L , 2 ( B − L ) , 2 ( B + L ) /3 或 2 ( 3 B + L ) / 7 2(3B+L)/7 2 ( 3 B + L ) /7 ,从而得到 α ˉ g = α g × ( 1 , 1 / 4 , 1 / 4 , 9 / 4 \bar\alpha_g=\alpha_g\times(1,1/4,1/4,9/4 α ˉ g = α g × ( 1 , 1/4 , 1/4 , 9/4 或 49 / 4 ) 49/4) 49/4 ) 。对于耦合到 L L L 或 B − L B-L B − L 的灵敏度比耦合到 B B B 好两个数量级(因为对于 Ti-Pt 有 Δ ( 2 L / A r ) ≃ 144 Δ ( B / A r ) \Delta (2L/A_r)\simeq 144\ \Delta (B/A_r) Δ ( 2 L / A r ) ≃ 144 Δ ( B / A r ) );并且比 B + L B+L B + L 或 3 B + L 3B+L 3 B + L 约好 3 或 7 倍。耦合到 ( ϵ B B + ϵ Q e l Q e l ) e (\epsilon_BB+\epsilon_{Q_{el}}Q_{el})e ( ϵ B B + ϵ Q e l Q e l ) e 应满足 ∣ ϵ B ∣ < 5 10 − 24 |\epsilon_B|<5\ 10^{-24} ∣ ϵ B ∣ < 5 1 0 − 24 ;类似地 ∣ ϵ L ∣ |\epsilon_L| ∣ ϵ L ∣ 或 ∣ ϵ B − L ∣ < .9 10 − 24 |\epsilon_{B-L}|<.9\ 10^{-24} ∣ ϵ B − L ∣ < .9 1 0 − 24 ,∣ ϵ B + L ∣ < .5 10 − 24 , ∣ ϵ 3 B + L ∣ < .32 10 − 24 |\epsilon_{B+L}|<.5\ 10^{-24},|\epsilon_{3B+L}|<.32\ 10^{-24} ∣ ϵ B + L ∣ < .5 1 0 − 24 , ∣ ϵ 3 B + L ∣ < .32 1 0 − 24 和 ∣ ϵ B − 2 L ∣ < 2.6 10 − 24 |\epsilon_{B-2L}|<2.6\ 10^{-24} ∣ ϵ B − 2 L ∣ < 2.6 1 0 − 24 ,意味着新相互作用比电磁力弱超过 10 46 10^{46} 1 0 46 到 10 48 10^{48} 1 0 48 。耦合之间典型的 > 10 24 >10^{24} > 1 0 24 的层级关系,可在超对称内与能量尺度中 > 10 12 >10^{12} > 1 0 12 的巨大层级相关联。这指向一个 ξ ≈ 10 16 \sqrt\xi\approx 10^{16} ξ ≈ 1 0 16 GeV 的尺度,关联着巨大的真空能量密度,其可能导致早期宇宙的暴胀。
引用
@article{arxiv.1809.04991,
title = {MICROSCOPE limits on the strength of a new force, with comparisons to gravity and electromagnetism},
author = {Pierre Fayet},
journal= {arXiv preprint arXiv:1809.04991},
year = {2019}
}
备注
13 pages, matches published version