modelo de gravitación cuántica de horava lifshitz sin invariancia de lorentz

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MODELO DE GRAVEDAD CU ´ ANTICA DE HO ˇ RAVA-LIFSHITZ SIN INVARIANZA DE LORENTZ Y. Bonilla Grupo de Gravitaci ´ on, Universidad del Valle, A.A. 25360, Cali, Colombia. [email protected] Resumen Se estudia el modelo de gravedad cu´ antica propuesto por Petr Hoˇ rava en [1, 2]. Esta teor´ ıa cu´ antica de campos gravitacional, presenta escalamiento anisotr´ opico entre espacio y tiem- po, con exponente din´ amico cr´ ıtico z = 3. La teor´ ıa describe gravitones no relativistas in- teractuantes para distancias cortas y se caracteriza por ser renormalizable por conteo de potencias en 3+1 dimensiones (ADM), pero abandona la invarianza de Lorentz como una simetr´ ıa fundamental en altas energ´ ıas [1]. Para grandes distancias (infrarrojo), la teor´ ıa fluye naturalmente al valor relativisita z = 1, recuperando la invarianza de Lorentz. Por lo tanto, puede servir como una candidata posible para la completez UV de la Teor´ ıa de la Relatividad General (RG), en el sentido de renormalizaci ´ on, o su modificaci ´ on infrarroja (IR). Aqu´ ı se exponen algunos de los aspectos b´ asicos del modelo y sus resultados. 1. Introducci ´ on E N QFT, el obst´ aculo principal en contra de la renormalizabilidad perturbativa de la teor´ ıa de la Relatividad General (RG) en 3+1 dimensiones [3, 4], radica en que la constante de acoplamiento gravitacional G N es dimensional, con dimensi ´ on negativa [G N ]= - 2 en unidades de masa (para ~ = c =1, G N 6, 7 × 10 -39 GeV -2 ) [4]. Para obtener la teor´ ıa gravitacional renormalizable por conteo de potencias en el UV, se introduce el escalamiento anisotr ´ opico entre espacio y tiempo, medido por z [1]. El modelo se inspira en los m´ etodos implementados en la teor´ ıa de sistemas din ´ amicos cr´ ıticos [6, 7] y criticalidad cu ´ antica cuyo prototipo, es la teor´ ıa escalar de Lifshitz en D +1 dimensiones caracterizada por la acci ´ on [8]: S 0 = Z dtd D x{ ˙ (Φ) 2 - (4Φ) 2 }, (1) que describe un “campo libre de punto fijo” con escalamiento anisotr ´ opico, z =2y 4 es el laplaciano espacial. Adicionando a la acci ´ on la deformaci´ on: -c 2 Z dtd D xi Φi Φ (2) la teor´ ıa fluye en el infrarrojo a z = 1, surgiendo la invarianza de Lorentz como una simetr´ ıa accidental [1, 9]. El modelo gravitacional de Hoˇ rava, a´ un siendo fundamentalmente no rela- tivista en el UV, describe polarizaciones propagantes de la m´ etrica [1]. Restaurando los factores expl´ ıcitos de la velocidad de la luz, el propagador para los gravitones toma la forma [1], 1 ω 2 - c 2 k 2 - G(k 2 ) z , (3) En el escenario de altas energ´ ıas el propagador del gravit´ on es dominado por el t´ ermino anisotr ´ opico 1/(ω 2 - G(k 2 ) z ), c 2 k 2 es importante solo para las energ´ ıas m´ as bajas y surge de una deformaci ´ on relevante del punto fijo UV, con c una constante de acoplamiento dimen- sional. El propagador (3) es reproducido por la resumaci ´ on del propagador de altas energ´ ıas en la teor´ ıa deformada [1], 1 ω 2 - c 2 k 2 - G(k 2 ) z = 1 ω 2 - G(k 2 ) z + 1 ω 2 - G(k 2 ) z c 2 k 2 1 ω 2 - G(k 2 ) z + ... (4) 2. Descripci ´ on General 2.1 Gravedad con escalamiento anisotr ´ opico Se define la teor´ ıa en una variedad espacio temporal M fija, con coordenadas (t, x) (t, x i ), i =1, ...D, (5) Desde el formalismo de descomposici ´ on ADM se utilizan los campos cu ´ anticos: g ij (de sig- natura (+,...,+)) en Σ, N (lapse) y el vector N i (shift), dando el elemento de l´ ınea, ds 2 = -N 2 c 2 dt 2 + g ij (dx i - N i dt)(dx j - N j dt), (6) Las teor´ ıas del tipo Lifshitz exhiben puntos fijos con escalamiento anisotr´ opico del tipo: x bx, t b z t. (7) El “exponente din´ amico cr´ ıtico” z , est´ a asociado con un punto fijo del grupo de renorma- lizaci ´ on (GR) (“Renormalization Group”) [1]. El prototipo de una teor´ ıa cu´ antica de campos con exponente cr´ ıtico no trivial z>1, es la teor´ ıa de un escalar de Lifshitz Φ(x,t) en D +1 dimensiones [1, 7, 8]. En su representaci ´ on m´ as sencilla, con z = 2, la teor´ ıa est´ a descrita por la acci´ on (1). Para que los dos t´ erminos en la acci´ on (1) escalen de la misma manera se asignan las dimensiones [x i ]= -1, [t]= -2. Para S adimensional [Φ] = (D - 2)/2, y conse- cuentemente la dimensi ´ on cr´ ıtica (m ´ as baja) se desplaza, del valor relativista 1+1,a 2+1 cuando z =2 [2, 10]. 2.2 Simetr´ ıas y versi ´ on Proyectable de la teor´ ıa En (7) la dimensi ´ on temporal tiene un papel privilegiado, as´ ı la variedad espacio temporal M, posee la estructura adicional de una foliaci´ on F de codimensi ´ on uno [1], con hojas Σ (hipersuperficies) de tiempo constante. Las transformaciones de coordenadas adaptadas a la foliaci´ on son: ˜ x i x i (x j ,t), ˜ t = ˜ t(t). (8) as´ ı las funciones de transici ´ on son diff., preservando la foliaci´ on, con Diff F (M) el grupo de diff., espacio temporales que respetan la foliaci´ on preferencial F c 1 y sus generadores [1]: δt = f (t), δx i = ξ i (t, x). (9) Asumiendo que N (t) es una funci ´ on del tiempo, constante en Σ 1 se obtiene la teor´ ıa de gravedad proyectable [10]. 2.3 Din ´ amica de la teor´ ıa proyectable Se define la teor´ ıa cu ´ antica de campos para la gravedad, por medio de la integral de camino: Z Dg ij DN i DN exp{iS }. (10) Donde S es la acci´ on m´ as general compatible con los requerimientos de simetr´ ıas gauge y restringida por la unitariedad de la teor´ ıa [1]. En los ´ ordenes m ´ as bajos en las derivadas temporales, la din ´ amica de la teor´ ıa proyectable, se describe por la acci´ on [1], S = 2 κ 2 Z dt d D x gN K ij K ij - λK 2 -V , (11) donde K ij 1 2N ( ˙ g ij -∇ i N j -∇ j N i ) (12) es la curvatura extr´ ınseca de Σ, K = g ij K ij , κ y λ son constantes de acoplamiento adimen- sionales, y el t ´ ermino potencial V es un funcional escalar invariante bajo Diff F (M) construido a partir de la m ´ etrica g ij , su tensor de Riemann R i jk‘ y las derivadas covariantes espaciales. [κ]= z - D 2 . (13) λ representa una constante de acoplamiento din ´ amica sujeta a correcciones cu ´ anticas, con λ = 1 para RG. erminos potenciales, son independientes de las derivadas temporales [1]. 2.4 Teor´ ıa UV con Balance Detallado Se impone la condici ´ on de simetr´ ıa de balance detallado que limita el n ´ umero de constantes de acoplamiento independientes, al elegir los t ´ erminos potenciales que implica: S V = κ 2 8 Z dt d D x gN E ij G ijk‘ E k‘ , (14) y que E ij provenga de un principio variacional v´ ıa la relaci ´ on: gE ij = δW [g k‘ ] δg ij (15) para alguna acci ´ on D-dimensional W . En (14) G ijk‘ , denota la inversa de la m´ etrica de De Witt G ijk‘ = 1 2 g ik g j‘ + g i‘ g jk - λg ij g k‘ (16) Si z =3 para 3+1 dimensiones, E ij debe ser de tercer orden en las derivadas espaciales. Un candidato para este objeto es el tensor de Cotton [1]; C ij = ε ik‘ k R j - 1 4 j . (17) La acci´ on m´ as general de la teor´ ıa de gravedad en 3+1 dimensiones y z =3, m´ odulo la posible adici ´ on de t ´ erminos relevantes, est´ a descrita por: S = Z dt d 3 x gN ( 2 κ 2 K ij K ij - λK 2 - κ 2 2w 4 C ij C ij ) (18) 3. Teor´ ıa deformada y RG S = Z dt d 3 x gN ( 2 κ 2 K ij K ij - λK 2 - κ 2 2w 4 C ij C ij + κ 2 μ 2w 2 ε ijk R i‘ j R k - κ 2 μ 2 8 R ij R ij + κ 2 μ 2 8(1 - 3λ) 1 - 4λ 4 R 2 W R - 2 W ) . (19) c = κ 2 μ 4 r Λ W 1 - 3λ , Λ= 3 2 Λ W , G N = κ 2 32πc (20) Referencias [1] P. Hoˇ rava, “Quantum Gravity at a Lifshitz Point”, Phys. Rev. D 79, 084008 (2009) [arXiv:0901.3775 [hep-th]]. [2] P. Hoˇ rava, “Membranes at Quantum Criticality”, JHEP 0903, 020 (2009) [arXiv:0812.4287 [hep-th]]. [3] C. Rovelli, “Notes for a brief history of quantum gravity”, arXiv:gr-qc/0006061v3. [4] S. Weinberg, “Ultraviolet Divergences in Quantum Theories of Gravitation” en: General Relativity. An Einstein Centenary Survey, editado por S.W Hawking and W. Israel (Cam- bridge University Press, 1980). [5]T. P. Sotiriou, M. Visser and S . Weinfurtner, “Quantum gravity without Lorentz invari- ance”, arXiv:0905.2798v3 [hep-th]. [6]P. C. Hohenberg and B. I. Halperin, “Theory of Dynamic Critical Phenomena”, Rev. Mod. Phys. 49, 435 (1977). [7] S. K. Ma, Modern Theory of Critical Phenomena, Frontiers in Physics (Benjamin. Inc, 1976). [8]E. M. Lifshitz, “On the Theory of Second-Order Phase Transitions I-II”, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 11, 255 (1941). [9] S. Chadha and H. B. Nielsen, “Lorentz Invariance as a Low-Energy Phenomenon”, Nucl. Phys. B 217, 125 (1983). [10] P. Hoˇ rava, “General Covariance in Gravity at a Lifshitz Point”, arXiv:1101.1081v1 [hep-th]. 1 Aquellas funciones que toman valores constantes en cada hoja de la foliaci´ on F , se denominar ´ an “funciones proyectables” [1]. Escuela de F´ ısica de Part´ ıculas, Mayo 23-27 de 2011, Bogot´ a, Colombia

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Page 1: Modelo de gravitación cuántica de Horava Lifshitz sin Invariancia de Lorentz

MODELO DE GRAVEDAD CUANTICA DE HORAVA-LIFSHITZ SIN

INVARIANZA DE LORENTZY. Bonilla

Grupo de Gravitacion, Universidad del Valle, A.A. 25360, Cali, [email protected]

Resumen

Se estudia el modelo de gravedad cuantica propuesto por Petr Horava en [1, 2]. Esta teorıacuantica de campos gravitacional, presenta escalamiento anisotropico entre espacio y tiem-po, con exponente dinamico crıtico z = 3. La teorıa describe gravitones no relativistas in-teractuantes para distancias cortas y se caracteriza por ser renormalizable por conteo depotencias en 3 + 1 dimensiones (ADM), pero abandona la invarianza de Lorentz como unasimetrıa fundamental en altas energıas [1]. Para grandes distancias (infrarrojo), la teorıafluye naturalmente al valor relativisita z = 1, recuperando la invarianza de Lorentz. Por lotanto, puede servir como una candidata posible para la completez UV de la Teorıa de laRelatividad General (RG), en el sentido de renormalizacion, o su modificacion infrarroja (IR).Aquı se exponen algunos de los aspectos basicos del modelo y sus resultados.

1. Introduccion

EN QFT, el obstaculo principal en contra de la renormalizabilidad perturbativa de la teorıade la Relatividad General (RG) en 3 + 1 dimensiones [3, 4], radica en que la constante

de acoplamiento gravitacional GN es dimensional, con dimension negativa [GN ]= - 2 enunidades de masa (para ~ = c = 1, GN ≈ 6, 7 × 10−39GeV−2) [4]. Para obtener la teorıagravitacional renormalizable por conteo de potencias en el UV, se introduce el escalamientoanisotropico entre espacio y tiempo, medido por z [1].El modelo se inspira en los metodos implementados en la teorıa de sistemas dinamicoscrıticos [6, 7] y criticalidad cuantica cuyo prototipo, es la teorıa escalar de Lifshitz en D + 1dimensiones caracterizada por la accion [8]:

S′ =

∫dtdDx{ ˙(Φ)2 − (4Φ)2}, (1)

que describe un “campo libre de punto fijo” con escalamiento anisotropico, z = 2 y 4 es ellaplaciano espacial. Adicionando a la accion la deformacion:

−c2∫dtdDx∂iΦ∂iΦ (2)

la teorıa fluye en el infrarrojo a z = 1, surgiendo la invarianza de Lorentz como una simetrıaaccidental [1, 9]. El modelo gravitacional de Horava, aun siendo fundamentalmente no rela-tivista en el UV, describe polarizaciones propagantes de la metrica [1]. Restaurando losfactores explıcitos de la velocidad de la luz, el propagador para los gravitones toma la forma[1],

1

ω2 − c2k2 −G(k2)z, (3)

En el escenario de altas energıas el propagador del graviton es dominado por el terminoanisotropico 1/(ω2 − G(k2)z), c2k2 es importante solo para las energıas mas bajas y surgede una deformacion relevante del punto fijo UV, con c una constante de acoplamiento dimen-sional. El propagador (3) es reproducido por la resumacion del propagador de altas energıasen la teorıa deformada [1],

1

ω2 − c2k2 −G(k2)z=

1

ω2 −G(k2)z+

1

ω2 −G(k2)zc2k2 1

ω2 −G(k2)z+ ... (4)

2. Descripcion General

2.1 Gravedad con escalamiento anisotropicoSe define la teorıa en una variedad espacio temporalM fija, con coordenadas

(t,x) ≡ (t, xi), i = 1, ...D, (5)

Desde el formalismo de descomposicion ADM se utilizan los campos cuanticos: gij (de sig-natura (+,...,+)) en Σ, N (lapse) y el vector Ni (shift), dando el elemento de lınea,

ds2 = −N2c2dt2 + gij(dxi −N idt)(dxj −N jdt), (6)

Las teorıas del tipo Lifshitz exhiben puntos fijos con escalamiento anisotropico del tipo:

x→ bx, t→ bzt. (7)

El “exponente dinamico crıtico” z, esta asociado con un punto fijo del grupo de renorma-lizacion (GR) (“Renormalization Group”) [1]. El prototipo de una teorıa cuantica de camposcon exponente crıtico no trivial z >1, es la teorıa de un escalar de Lifshitz Φ(x, t) en D + 1dimensiones [1, 7, 8]. En su representacion mas sencilla, con z = 2, la teorıa esta descritapor la accion (1). Para que los dos terminos en la accion (1) escalen de la misma manerase asignan las dimensiones [xi]= −1, [t]= −2. Para S adimensional [Φ] = (D − 2)/2, y conse-cuentemente la dimension crıtica (mas baja) se desplaza, del valor relativista 1 + 1, a 2 + 1cuando z = 2 [2, 10].

2.2 Simetrıas y version Proyectable de la teorıaEn (7) la dimension temporal tiene un papel privilegiado, ası la variedad espacio temporalM, posee la estructura adicional de una foliacion F de codimension uno [1], con hojas Σ(hipersuperficies) de tiempo constante. Las transformaciones de coordenadas adaptadas ala foliacion son:

xi = xi(xj, t), t = t(t). (8)

ası las funciones de transicion son diff., preservando la foliacion, con DiffF(M) el grupo dediff., espacio temporales que respetan la foliacion preferencial Fc1 y sus generadores [1]:

δt = f (t), δxi = ξi(t,x). (9)

Asumiendo que N(t) es una funcion del tiempo, constante en Σ 1 se obtiene la teorıa degravedad proyectable [10].

2.3 Dinamica de la teorıa proyectable

Se define la teorıa cuantica de campos para la gravedad, por medio de la integral de camino:∫Dgij DNiDN exp{iS}. (10)

Donde S es la accion mas general compatible con los requerimientos de simetrıas gaugey restringida por la unitariedad de la teorıa [1]. En los ordenes mas bajos en las derivadastemporales, la dinamica de la teorıa proyectable, se describe por la accion [1],

S =2

κ2

∫dt dDx

√g N

(KijK

ij − λK2 − V), (11)

dondeKij ≡

1

2N

(gij −∇iNj −∇jNi

)(12)

es la curvatura extrınseca de Σ, K = gijKij, κ y λ son constantes de acoplamiento adimen-sionales, y el termino potencial V es un funcional escalar invariante bajo DiffF(M) construidoa partir de la metrica gij, su tensor de Riemann Rijk` y las derivadas covariantes espaciales.

[κ] =z −D

2. (13)

λ representa una constante de acoplamiento dinamica sujeta a correcciones cuanticas, conλ = 1 para RG. Terminos potenciales, son independientes de las derivadas temporales [1].

2.4 Teorıa UV con Balance DetalladoSe impone la condicion de simetrıa de balance detallado que limita el numero de constantesde acoplamiento independientes, al elegir los terminos potenciales que implica:

SV =κ2

8

∫dt dDx

√gN EijGijk`Ek`, (14)

y que Eij provenga de un principio variacional vıa la relacion:

√gEij =

δW [gk`]

δgij(15)

para alguna accion D-dimensional W . En (14) Gijk`, denota la inversa de la metrica deDe Witt

Gijk` =1

2

(gikgj` + gi`gjk

)− λgijgk` (16)

Si z = 3 para 3 + 1 dimensiones, Eij debe ser de tercer orden en las derivadas espaciales.Un candidato para este objeto es el tensor de Cotton [1];

Cij = εik`∇k(Rj` −

1

4Rδ

j`

). (17)

La accion mas general de la teorıa de gravedad en 3 + 1 dimensiones y z = 3, modulo laposible adicion de terminos relevantes, esta descrita por:

S =

∫dt d3x

√g N

{2

κ2

(KijK

ij − λK2)− κ2

2w4CijC

ij

}(18)

3. Teorıa deformada y RG

S =

∫dt d3x

√g N

{2

κ2

(KijK

ij − λK2)− κ2

2w4CijC

ij +κ2µ

2w2εijkRi`∇jR`k

− κ2µ2

8RijR

ij +κ2µ2

8(1− 3λ)

(1− 4λ

4R2 + ΛWR− 3Λ2

W

)}. (19)

c =κ2µ

4

√ΛW

1− 3λ, Λ =

3

2ΛW , GN =

κ2

32πc(20)

Referencias

[1] P. Horava, “Quantum Gravity at a Lifshitz Point”, Phys. Rev. D 79, 084008 (2009)[arXiv:0901.3775 [hep-th]].

[2] P. Horava, “Membranes at Quantum Criticality”, JHEP 0903, 020 (2009)[arXiv:0812.4287 [hep-th]].

[3] C. Rovelli, “Notes for a brief history of quantum gravity”, arXiv:gr-qc/0006061v3.[4] S. Weinberg, “Ultraviolet Divergences in Quantum Theories of Gravitation” en: General

Relativity. An Einstein Centenary Survey, editado por S.W Hawking and W. Israel (Cam-bridge University Press, 1980).

[5] T. P. Sotiriou, M. Visser and S . Weinfurtner, “Quantum gravity without Lorentz invari-ance”, arXiv:0905.2798v3 [hep-th].

[6] P. C. Hohenberg and B. I. Halperin, “Theory of Dynamic Critical Phenomena”, Rev. Mod.Phys. 49, 435 (1977).

[7] S. K. Ma, Modern Theory of Critical Phenomena, Frontiers in Physics (Benjamin. Inc,1976).

[8] E. M. Lifshitz, “On the Theory of Second-Order Phase Transitions I-II”, Zh. Eksp. Teor.Fiz. 11, 255 (1941).

[9] S. Chadha and H. B. Nielsen, “Lorentz Invariance as a Low-Energy Phenomenon”, Nucl.Phys. B 217, 125 (1983).

[10] P. Horava, “General Covariance in Gravity at a Lifshitz Point”, arXiv:1101.1081v1[hep-th].

1Aquellas funciones que toman valores constantes en cada hoja de la foliacion F , se denominaran “funciones proyectables” [1].

Escuela de Fısica de Partıculas, Mayo 23-27 de 2011, Bogota, Colombia