Abstract
Local Lorentz invariance is a fundamental spacetime symmetry in the standard model of particle physics and in general relativity. However, in a quantum theory of gravity, mechanisms have been found to arise that might allow small violations of Lorentz invariance to occur. An effective field theory known as the standard model extension has been developed to search for these violations. The standard model extension incorporates Lorentz-violating interaction terms involving particle fields and gravitational fields, and it includes all terms that could arise from a process of spontaneous Lorentz violation as well as terms that explicitly break Lorentz symmetry. In this chapter, an overview of the standard model extension is presented, including its motivations and construction. A partial survey of high-precision experimental tests of local Lorentz invariance for the different particle sectors in the standard model and with gravity is presented as well.
Access this chapter
Tax calculation will be finalised at checkout
Purchases are for personal use only
Abbreviations
- ATRAP:
-
Antihydrogen trap
- CERN:
-
European Organization for Nuclear Research
- CMBR:
-
cosmic microwave background radiation
- CPT:
-
charge, parity, time
- GR:
-
general relativity
- GZK:
-
Greisen–Zatsepin–Kuzmin
- HiRes:
-
high resolution fly’s eye
- ISS:
-
International Space Station
- KS:
-
Kostelecký–Samuel
- LLI:
-
local Lorentz invariance
- NG:
-
Nambu–Goldstone
- PPN:
-
parameterized post-Newtonian
- QED:
-
quantum electrodynamics
- SME:
-
standard model extension
- SM:
-
standard model
- mSME:
-
minimal standard model extension
- vev:
-
vacuum expectation value
References
V.A. Kostelecký, R. Potting: Phys. Rev. D 51, 3923 (1995)
D. Colladay, V.A. Kostelecký: Phys. Rev. D 55, 6760 (1997)
D. Colladay, V.A. Kostelecký: Phys. Rev. D 58, 116002 (1998)
V.A. Kostelecký, R. Lehnert: Phys. Rev. D 63, 065008 (2001)
V.A. Kostelecký: Phys. Rev. D 69, 105009 (2004)
J. Schwinger: Phys. Rev. 82, 914 (1951)
J.S. Bell: Proc. R. Soc. A 231, 479 (1955)
W. Pauli: Exclusion principle, lorentz group and reflection of space-time and charge. In: Neils Bohr and the Development of Physics, ed. by W. Pauli (McGraw-Hill, New York 1955) p. 30
G. Lüders: Ann. Phys. 2, 1 (1957)
O.W. Greenberg: Phys. Rev. Lett. 89, 231602 (2002)
F.W. Hehl, P. Von Der Heyde, G.D. Kerlick, J.M. Nester: Rev. Mod. Phys. 48, 393 (1976)
I.L. Shapiro: Phys. Rep. 357, 113 (2002)
V.A. Kostelecký, S. Samuel: Phys. Rev. D 39, 683 (1989)
V.A. Kostelecký, S. Samuel: Phys. Rev. Lett. 63, 224 (1989)
V.A. Kostelecký, S. Samuel: Phys. Rev. D 40, 1886 (1989)
V.A. Kostelecký, R. Potting: Nucl. Phys. B 359, 545 (1991)
V.A. Kostelecký, S. Samuel: Phys. Rev. Lett. 66, 1811 (1991)
V.A. Kostelecký, R. Potting: Phys. Lett. B 381, 89 (1996)
V.A. Kostelecký, R. Potting: Phys. Rev. D 63, 046007 (2001)
R. Bluhm: Lect. Notes Phys. 702, 191 (2006)
V.A. Kostelecký (Ed.): CPT and Lorentz Symmetry IV (World Scientific, Singapore 2008)
V.A. Kostelecký (Ed.): CPT and Lorentz Symmetry V (World Scientific, Singapore, 2011)
S. Liberati, D. Mattingly: Lorentz breaking effective field theory models for matter and gravity: Theory and observational constraints, arXiv:1208.1071 (2009)
O. Bertolami, D. Colladay, V.A. Kostelecky, R. Potting: Phys. Lett. B 395, 178 (1997)
A. Connes, M. Douglas, A. Schwartz: J. High Energy Phys. 02, 003 (1998)
I. Mocioiu, M. Pospelov, R. Roiban: Phys. Lett. B 489, 390 (2000)
S.M. Carroll, J.A. Harvey, V.A. Kostelecky, C.D. Lane, T. Okamoto: Phys. Rev. Lett. 87, 141601 (2001)
Z. Guralnik, R. Jackiw, S.Y. Pi, A.P. Polychronakos: Phys. Lett. B 517, 450 (2001)
C.E. Carlson, C.D. Carone, R.F. Lebed: Phys. Lett. B 518, 201 (2001)
A. Anisimov, T. Banks, M. Dine, M. Graesser: Phys. Rev. D 65, 085032 (2002)
R. Gambini, J. Pullin: Phys. Rev. D 59, 124021 (1999)
C.P. Burgess, J. Cline, E. Filotas, J. Matias, G.D. Moore: J. High Energy Phys. 0203, 043 (2002)
J. Alfaro, H.A. Morales-Técotl, L.F. Urrutia: Phys. Rev. D 66, 124006 (2002)
G. Amelino-Camelia: Mod. Phys. Lett. A 17, 899 (2002)
D. Sudarsky, L. Urrutia, H. Vucetich: Phys. Rev. D 68, 024010 (2003)
V.A. Kostelecký, R. Lehnert, M. Perry: Phys. Rev. D 68, 123511 (2003)
A.R. Frey: J. High Energy Phys. 0304, 012 (2003)
F.W. Stecker: Astropart. Phys. 20, 85 (2003)
J.D. Bjorken: Phys. Rev. D 67, 043508 (2003)
R. Myers, M. Pospelov: Phys. Rev. Lett. 90, 211601 (2003)
J. Cline, L. Valcárcel: J. High Energy Phys. 0403, 032 (2004)
N.E. Mavromatos: Nucl. Instrum. Methods B 214, 1 (2004)
C.D. Froggatt, H.B. Nielsen: Ann. Phys. 14, 115 (2005)
W.A. Christiansen, Y.J. Ng, H. van Dam: Phys. Rev. Lett. 96, 051301 (2006)
W.A. Christiansen, Y.J. Ng, D.J.E. Floyd, E.S. Perlman: Phys. Rev. D 83, 084003 (2011)
D. Mattingly: Phys. Rev. D 77, 125021 (2008)
G. Amelino-Camelia, L. Freidel, J. Kowalski-Glikman, L. Smolin: Phys. Rev. D 84, 084010 (2011)
H.P. Robertson: Rev. Mod. Phys. 21, 378 (1949)
R. Mansouri, R.U. Sexl: Gen. Relativ. Gravit. 8, 497 (1977)
C.N. Will: Theory and experimentation in Gravitational Physics (Cambridge Univ. Press, Cambridge 1993)
V.A. Kostelecký, C.D. Lane: J. Math. Phys. 40, 6245 (1999)
D. Bao, S.-S. Chern, Z. Shen: An Introduction to Riemann-Finsler Geometry (Springer, New York 2000)
V.A. Kostelecký: Phys. Lett. B 701, 470 (2011)
V.A. Kostelecký, N. Russell, R. Tso: Phys. Lett. B 716, 470 (2012)
Y. Nambu: Phys. Rev. Lett. 4, 380 (1960)
J. Goldstone: Nuovo. Cim. 19, 154 (1961)
J. Goldstone, A. Salam, S. Weinberg: Phys. Rev. 127, 965 (1962)
F. Englert, R. Brout: Phys. Rev. Lett. 13, 321 (1964)
P.W. Higgs: Phys. Rev. Lett. 13, 508 (1964)
G.S. Guralnik, C.R. Hagen, T.W.B. Kibble: Phys. Rev. Lett. 13, 585 (1964)
P.A.M. Dirac: Proc. R. Soc. A 209, 291 (1951)
Y. Nambu: Prog. Theor. Phys. Suppl. Extra 68, 190–195 (1968)
J.D. Bjorken: Ann. Phys. 24, 174 (1963)
R. Bluhm, V.A. Kostelecký: Phys. Rev. D 71, 065008 (2005)
R. Bluhm, S.-H. Fung, V.A. Kostelecký: Phys. Rev. D 77, 065020 (2008)
T. Jacobson, D. Mattingly: Phys. Rev. D 64, 024028 (2001)
P. Kraus, E.T. Tomboulis: Phys. Rev. D 66, 045015 (2002)
J.W. Moffat: Int. J. Mod. Phys. D 12, 1279 (2003)
O. Bertolami, J. Paramos: Phys. Rev. D 72, 044001 (2005)
J.L. Chkareuli, C.D. Froggatt, J.G. Jejelava, H.B. Nielsen: Nucl. Phys. B 796, 211 (2008)
B. Altschul, V.A. Kostelecký: Phys. Lett. B 628, 106 (2005)
R. Bluhm, N. Gagne, R. Potting, A. Vrublevskis: Phys. Rev. D 77, 125007 (2008)
S.M. Carroll, T.R. Dulaney, M.I. Gresham, H. Tam: Phys. Rev. D 79, 065011 (2009)
M.D. Seifert: Phys. Rev. D 79, 124012 (2009)
M.D. Seifert: Phys. Rev. D 81, 065010 (2010)
O.J. Franca, R. Montemajor, L.F. Urrutia: Phys. Rev. D 85, 085008 (2012)
V.A. Kostelecký, R. Potting: Gen. Relativ. Gravit. 37, 1675 (2005)
V.A. Kostelecký, R. Potting: Phys. Rev. D 79, 065018 (2009)
B. Altschul, Q.G. Bailey, V.A. Kostelecký: Phys. Rev. D 81, 065028 (2010)
S.M. Carroll, E.A. Lim: Phys. Rev. D 70, 123525 (2004)
S. Kanno, J. Soda: Phys. Rev. D 74, 063505 (2006)
E.A. Lim: Phys. Rev. D 71, 063504 (2005)
P.G. Ferreira, B.M. Gripaios, R. Saffari: Phys. Rev. D 75, 044014 (2007)
B. Li, D.F. Mota, J.D. Barrow: Phys. Rev. D 77, 024032 (2008)
T.R. Dulaney, M.I. Gresham, M.B. Wise: Phys. Rev. D 77, 083510 (2008)
J. Beltran Jimenez, A.L. Maroto: Phys. Rev. D 80, 063513 (2009)
V.A. Kostelecký, C.D. Lane: Phys. Rev. D 60, 116010 (1999)
V.A. Kostelecký, N. Russell: Rev. Mod. Phys. 83, 11 (2011), arXiv:0801.0287
R. Bluhm, V.A. Kostelecký, N. Russell: Phys. Rev. Lett. 79, 1432 (1997)
R. Bluhm, V.A. Kostelecký, N. Russell: Phys. Rev. D 57, 3932 (1998)
H. Dehmelt, R. Mittleman, R.S. van Dyck Jr., P. Schwinberg: Phys. Rev. Lett. 83, 4694 (1999)
R.K. Mittleman, I.I. Ioannou, H.G. Dehmelt, N. Russell: Phys. Rev. Lett. 83, 2116 (1999)
G. Gabrielse, A. Khabbaz, D.S. Hall, C. Heimann, H. Kalinowsky, W. Jhe: Phys. Rev. Lett. 82, 3198 (1999)
R. Bluhm, V.A. Kostelecký: Phys. Rev. Lett. 84, 1381 (2000)
L.-S. Hou, W.-T. Ni, Y.-C.M. Li: Phys. Rev. Lett. 90, 201101 (2003)
B.R. Heckel, C.E. Cramer, T.S. Cook, E.G. Adelberger, S. Schlamminger, U. Schmidt: Phys. Rev. Lett. 97, 021603 (2006)
B.R. Heckel, E.G. Adelberger, C.E. Cramer, T.S. Cook, S. Schlamminger, U. Schmidt: Phys. Rev. D 78, 092006 (2008)
R. Bluhm, V.A. Kostelecký, N. Russell: Phys. Rev. Lett. 82, 2254 (1999)
D. Bear, R.E. Stoner, R.L. Walsworth, V.A. Kostelecky, C.D. Lane: Phys. Rev. Lett. 85, 5038 (2000)
D.F. Phillips, M.A. Humphrey, E.M. Mattison, R.E. Stoner, R.F.C. Vessot, R.L. Walsworth: Phys. Rev. D 63, 111101 (2001)
M.A. Humphrey, D.F. Phillips, E.M. Mattison, R.F.C. Vessot, R.E. Stoner, R.L. Walsworth: Phys. Rev. A 68, 063807 (2003)
F. Cane, D. Bear, D.F. Phillips, M.S. Rosen, C.L. Smallwood, R.E. Stoner, R.L. Walsworth, V.A. Kostelecky: Phys. Rev. Lett. 93, 230801 (2004)
B. Altschul: Phys. Rev. D 75, 041301 (2007)
C. Gemmel, W. Heil, S. Karpuk, K. Lenz, Yu. Sobolev, K. Tullney, M. Burghoff, W. Kilian, S. Knappe-Grüneberg, W. Müller: Phys. Rev. D 82, 111901 (2010)
B. Altschul: Phys. Rev. D 79, 061702 (2009)
M. Smiciklas, J.M. Brown, L.W. Cheuk, M.V. Romalis: Phys. Rev. Lett. 107, 171604 (2011)
J.M. Brown, S.J. Smullin, T.W. Kornack, M.V. Romalis: Phys. Rev. Lett. 105, 151604 (2010)
R. Bluhm, V.A. Kostelecky, C.D. Lane, N. Russell: Phys. Rev. Lett. 88, 090801 (2002)
R. Bluhm, V.A. Kostelecky, C.D. Lane, N. Russell: Phys. Rev. D 68, 125008 (2003)
B. Altschul: Phys. Rev. D 81, 041701 (2010)
ALPHA Collaboration: ALPHA Antihydrogen Experiment, CPT, Lorentz Symmetry V, ed. by V.A. Kostelecký (World Scientific, Singapore 2011)
V.A. Kostelecký, M. Mewes: Phys. Rev. Lett. 87, 251304 (2001)
V.A. Kostelecký, M. Mewes: Phys. Rev. D 66, 056005 (2002)
V.A. Kostelecký, M. Mewes: Phys. Rev. Lett. 97, 140401 (2006)
V.A. Kostelecký, M. Mewes: Phys. Rev. Lett. 99, 011601 (2007)
H. Müller, P.L. Stanwix, M.E. Tobar, E. Ivanov, P. Wolf, S. Herrmann, A. Senger, E. Kovalchuk, A. Peters: Phys. Rev. Lett. 99, 050401 (2007)
F.R. Klinkhamer, M. Risse: Phys. Rev. D 77, 117901 (2008)
S. Herrmann, A. Senger, K. Mohle, M. Nagel, E.V. Kovalchuk, A. Peters: Phys. Rev. D 80, 105011 (2009)
C. Eisele, A.Y. Nevsky, S. Schiller: Phys. Rev. Lett. 103, 090401 (2009)
M.E. Tobar, E.N. Ivanov, P.L. Stanwix, J.-M.G. le Floch, J.G. Hartnett: Phys. Rev. D 80, 125024 (2009)
M.A. Hohensee, P.L. Stanwix, M.E. Tobar, S.R. Parker, D.F. Phillips, R.L. Walsworth: Phys. Rev. D 82, 076001 (2010)
B. Altschul: Phys. Rev. D 80, 091901 (2009)
J.-P. Bocquet, D. Moricciani, V. Bellini, M. Beretta, L. Casano, A. D’Angelo, R. di Salvo, A. Fantini, D. Franco, G. Gervino, F. Ghio, G. Giardina, B. Girolami, A. Giusa, V.G. Gurzadyan, A. Kashin, S. Knyazyan, A. Lapik, R. Lehnert, P. Levi Sandri, A. Lleres, F. Mammoliti, G. Mandaglio, M. Manganaro, A. Margarian, S. Mehrabyan, R. Messi, V. Nedorezov, C. Perrin, C. Randieri, D. Rebreyend, N. Rudnev, G. Russo, C. Schaerf, M.L. Sperduto, M.C. Sutera, A. Turinge, V. Vegna: Phys. Rev. Lett. 104, 241601 (2010)
S.R. Parker, M. Mewes, P.L. Stanwix, M.E. Tobar: Phys. Rev. Lett. 106, 180401 (2011)
S.M. Carroll, G.B. Field, R. Jackiw: Phys. Rev. D 41, 1231 (1990)
S. Coleman, S.L. Glashow: Phys. Rev. D 59, 116008 (1999)
S.T. Scully, F.W. Stecker: Astroparticle Phys. 31, 220 (2009)
X.-J. Bi, Z. Cao, Y. Li, Q. Yuan: Phys. Rev. D 79, 083015 (2009)
K. Greisen: Phys. Rev. Lett. 16, 748 (1966)
G.T. Zatsepin, V.A. Kuz’min: Cosmic Rays (Moscow) 11(11), 45–47 (1969)
V.A. Kostelecký: Phys. Rev. Lett. 80, 1818 (1998)
V.A. Kostelecký: Phys. Rev. D 61, 016002 (2000)
V.A. Kostelecký: Phys. Rev. D 64, 076001 (2001)
J.M. Link, et al.: Phys. Lett. B 556, 7 (2003)
BaBar Collaboration: Phys. Rev. Lett. 100, 131802 (2008)
A. Di Domenico, K.L.O.E. collaboration: Found. Phys. 40, 852 (2010)
V.A. Kostelecký, R.J. Van Kooten: Phys. Rev. D 82, 101702 (2010)
R. Bluhm, V.A. Kostelecký, C.D. Lane: Phys. Rev. Lett. 84, 1098 (2000)
V.W. Hughes, M. Grosse Perdekamp, D. Kawall, W. Liu, K. Jungmann, G. zu Putlitz: Phys. Rev. Lett. 87, 111804 (2001)
Muon (g-2) Collaboration: Phys. Rev. Lett. 100, 091602 (2008)
D. Colladay, V.A. Kostelecký: Phys. Lett. B 511, 209 (2001)
M.A. Hohensee, R. Lehnert, D.F. Phillips, R.L. Walsworth: Phys. Rev. D 80, 036010 (2009)
D0 Collaboration: Phys. Rev. Lett. 108, 261603 (2012)
B. Charneski, M. Gomes, R.V. Maluf, A.J. da Silva: Phys. Rev. D 86, 045003 (2012)
V.A. Kostelecký, M. Mewes: Phys. Rev. D 69, 016005 (2004)
V.A. Kostelecký, M. Mewes: Phys. Rev. D 70, 031902 (2004)
V.A. Kostelecký, M. Mewes: Phys. Rev. D 70, 076002 (2004)
LSND Collaboration: Phys. Rev. D 72, 076004 (2005)
J.S. Diaz, V.A. Kostelecký, M. Mewes: Phys. Rev. D 80, 076007 (2009)
IceCube Collaboration: Phys. Rev. D 82, 112003 (2010)
MINOS Collaboration: Phys. Rev. Lett. 105, 151601 (2010)
J.S. Diaz, V.A. Kostelecký: Phys. Lett. B 700, 25 (2011)
J.S. Diaz, V.A. Kostelecký: Phys. Rev. D 85, 016013 (2012)
V. Barger, D. Marfatia, K. Whisnant: Phys. Lett. B 653, 267 (2007)
T. Katori, MiniBooNE Collaboration: Test for Lorentz and CPT Violation with the MiniBooNE Low-Energy Excess, CPT and Lorentz Symmetry V, ed. by V.A. Kostelecký (World Scientific, Singapore 2011)
Q.G. Bailey, V.A. Kostelecký: Phys. Rev. D 74, 045001 (2006)
J.B.R. Battat, J.F. Chandler, C.W. Stubbs: Phys. Rev. Lett. 99, 241103 (2007)
K.-Y. Chung, S.-W. Chiow, S. Herrmann, S. Chu, H. Müller: Phys. Rev. D 80, 016002 (2009)
H. Müller, S.-W. Chiow, S. Herrmann, S. Chu, K.-Y. Chung: Phys. Rev. Lett. 100, 031101 (2008)
V.A. Kostelecký, J. Tasson: Phys. Rev. Lett. 102, 010402 (2009)
V.A. Kostelecký, J. Tasson: Phys. Rev. D 83, 016013 (2011)
M.A. Hohensee, S. Chu, A. Peters, H. Müller: Phys. Rev. Lett. 106, 151102 (2011)
L. Iorio: Class. Quantum Gravity 29, 175007 (2012)
V.A. Kostelecký, N. Russell, J. Tasson: Phys. Rev. Lett. 100, 111102 (2008)
V.A. Kostelecký, M. Mewes: Phys. Rev. D 80, 015020 (2009)
V.A. Kostelecký, M. Mewes: Phys. Rev. D 85, 096005 (2012)
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Editor information
Editors and Affiliations
Rights and permissions
Copyright information
© 2014 Springer-Verlag Berlin Heidelberg
About this chapter
Cite this chapter
Bluhm, R.T. (2014). Observational Constraints on Local Lorentz Invariance. In: Ashtekar, A., Petkov, V. (eds) Springer Handbook of Spacetime. Springer Handbooks. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-41992-8_23
Download citation
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-41992-8_23
Published:
Publisher Name: Springer, Berlin, Heidelberg
Print ISBN: 978-3-642-41991-1
Online ISBN: 978-3-642-41992-8
eBook Packages: Physics and AstronomyPhysics and Astronomy (R0)