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非粒子交换导致的长程作用力


□ 廖 益

  摘 要最近,Georgi建议了一种客体——非粒子,它不存在色散关系的约束(因而不是粒子),却受所谓的标度量纲控制.文章作者指出,它与粒子相互作用会导致粒子间新奇的长程力.这种力与人们熟知的长程力完全不同,在人们已设想到的任何新物理中也没有这样的长程力.如果在未来的精确测量中发现了这种力,这将明确地指向非粒子物理,从而对粒子物理学的基本概念产生重要影响.另方面,利用现有的精确观测的电子自旋-自旋长程作用,文章作者得到了对电子与非粒子相互作用的很强限制.对该领域的研究前景,文章中也作了简短的展望.
  关键词非粒子,长程力,标度不变性
  
  Long\|range force from unparticle exchange
  LIAO Yi
  (Department of Physics, Nankai University, Tianjin300071, China)
  
  AbstractUnparticles as recently suggested by Georgi are identities that are not constrained by dispersion relations (and are thus not particles) but are governed by their scaling dimension. We show that their coupling to particles results in novel long\|range forces between particles that are totally different from known ones or those arising in any other new physics contemplated so far. If such forces were discovered in future precision measurements it would point to unparticle physics unambiguously, and thus impact significantly the basic concepts of particle physics. On the other hand, we use the existing precisely measured long\|range spin\|spin interaction of electrons to set stringent bounds on the unparticle coupling to the electron. We also mention briefly the prospects for research in this field.
  Keywordsunparticle, long\|range force, scale invariance
  
  1 引言
  
  万有引力和库仑力是我们仅知的长程作用力.它们具有宏观尺度的力程,并遵从距离平方反比律.自然界中是否存在别的长程力?是否存在平方反比律以外的长程力?由于这是一个基础性的重要问题,物理学家们从理论和实验方面进行了长期不懈的探索.
  量子场论是建立在狭义相对论和量子论基础上的、描述相互作用的理论框架.按照量子场论的观念,相互作用或力是通过力的载体(称之为力的量子或粒子)传递的,而长程力是质量为零的量子导致的.比如,引力子传递引力作用,而光子传递电磁作用1).长程力的平方反比律是相互作用在低速极限下的主要特征;它源于两个基本事实.其一,所有粒子(包括力的量子)都满足一个色散关系,即:粒子的能量E、动量P间存在二次型约束,E2=P2c2+m2c4.这里,常数c是光速,m则是粒子的质量.其二,我们生活在一个三维的物理空间.当然,如果相互作用的粒子有自旋,或者,如果我们计入很小的相对论性效应或量子论修正,力的长距离行为与平方反比律会有很小的偏离,但这些偏离总是距离的负整数次幂.有趣的是,即使在像紧致额外维(compactified extra udimensions)这样的新颖理论中,作用力也是距离的负整数次幂2).
  这样就自然产生了一个疑问:自然界不可能存在别的形式的长程力吗?一个比较简单、看上去也不怎么奇怪的形式似乎是距离的负的非整数次幂.什么样的量子能传递这种力?前述分析告诉我们,它不可能是粒子!在通常的量子场论中,粒子是作为场的量子激发而自然出现的;因此,这样的回答看起来很奇怪.其实,产生这一印象倒不是因为这种形式的长程力太离奇,而是因为我们太习惯于粒子这样的基本物理概念,以至于很难偏离哪怕是一小步.
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