膜世界及相关问题研究

Brane-world theory presents a new viewpoint on space-time, and it has broad applications in cosmology and particle physics. This theory can not only solve some fundamental problems in theoretical physics, but also give some predictions which could be tested in the LHC experiments and astronomical observations. This project includes three parts: 1) We will first construct new brane-world models in the frames of Einstein's gravity theory and other modified gravity theories, then give the corresponding brane-world solutions, and investigate the hierarchy problem in these brane-world models. 2) We will investigate Kaluza-Klein (KK) reduction of gravity and various kinds of matter fields on these branes, derive their effective four-dimensional Lagrangians, as well as the effective Lagrangian including interactions between the four-dimensional fermions and KK gravitons as well as KK gauge bosons, and then calculate the correction to Newtonian potential from KK gravitons, and the correction to Coulomb potential from KK gauge bosons. 3) We will study how interactions with KK gravitons, Higgs particle and KK gauge bosons can affect the scattering cross sections of four-dimensional fermions, and probe into new physical effects of brane-world theory through the combination of our calculations with the LHC experimental data.

膜世界理论提出了一种新的时空观，在宇宙学和粒子物理学中有广泛的应用。该理论不仅可以解决理论物理学中的一些基本问题，而且还做出了有望在当前大型强子对撞机(LHC)或天文观测上进行检验的预言。本项目包括三个方面的研究内容：1）建立Einstein引力理论和修改引力理论框架下的新膜世界模型，求解相应的膜世界解，在这些膜世界模型中研究层次问题；2）研究高维时空中引力场和各种物质场在这些膜上的Kaluza- Klein(KK)约化，给出各种场的四维有效拉氏量，以及四维费米子（即费米零模）与膜上的KK引力子和KK规范玻色子之间的相互作用有效拉氏量，求解KK引力子对牛顿势的修正，以及KK规范玻色子对库仑势的修正；3）计算膜上 KK引力子、Higgs粒子和规范玻色子对费米子之间散射的贡献，与LHC上的实验数据进行结合，探讨膜世界理论的新物理效应。

本项目主要研究膜世界理论及其相关问题 ，研究内容包括三个方面：1）建立 Einstein引力理论和修改引力理论框架下的新膜世界模型，求解相应的膜世界解，在这些膜世界模型中研究层次问题；2）研究高维时空中引力场和各种物质场在这些膜上的 Kaluza- Klein(KK)约化，给出各种场的四维有效拉氏量，以及四维费米子与膜上的 KK 引力子和 KK 规范玻色子之间的相互作用有效拉氏量，求解 KK 引力子对牛顿势的修正，以及 KK 规范玻色子对库仑势的修正；3）计算膜上 KK 引力子、Higgs 粒子和规范玻色子对费米子之间散射的贡献，与 LHC 上的实验数据进行结合，探讨膜世界理论的新物理效应。..本项目按照原计划执行，找到了Einstein 引力理论和修改引力理论框架下的一系列膜世界解，并且给出了膜世界上的牛顿势及其修正，对模型参数进行了讨论。得到了费米子及其他各种物质场在这些膜上的质量谱和共振态。这为进一步理解额外维与膜世界提供了有意义的理论基础。此外，还提出了利用双星产生的引力波和电磁对应体来探测和限制额外维的新方法。..在本项目的资助下，在额外维、膜世界、黑洞与引力波等研究方向开展了相关工作，在PRL、PRD、EPJC等国际著名杂志上发表SCI论文40余篇，获得国家自然科学基金优秀青年基金的资助，培养了5名博士毕业研究生和4名硕士毕业研究生。