[論文レビュー] A search for directional violations of the Lorentz invariance through the study of a possible asymmetry of particle lifetimes

A. De Angelis, Michela De Maria+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2010

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 7被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、宇宙背景放射（CMB）静止系に対するK⁰_S中間子の寿命の方向的非対称性を測定することで、ローレンツ不変性を検証する。DAΦNEにおけるKLOE検出器から得られた6230万件のK⁰_S → π⁺π⁻崩壊のデータを用い、地球がCMBに対して運動する方向と反対方向の寿命に顕著な差異は認められず、95%信頼水準での上界は|A|_CMB < 0.98 × 10⁻³であった。これは自然単位系における太陽系の速度（V/c = 1.23 × 10⁻³）を下回っており、粒子寿命における異方性に対するこれまでで最も厳密な実験的制約である。

ABSTRACT

From the study of a sample of about 62.3 million well reconstructed K0S decays recorded by the KLOE detector at the DAFNE accelerator in Frascati, the lifetimes of K0S mesons parallel and antiparallel to the direction of motion of the Earth with respect to the Cosmic Microwave Background reference frame have been studied. No difference has been found, and a limit on a possible asymmetry of the lifetime with respect to the CMB has been set at 95% C.L.: A < 0.98 x 10-3. This is presently the best experimental limit on such quantity, and it is smaller of the speed, expressed in natural units, of the Solar System with respect to the CMB. The present limit might constrain possible Lorentz-violating anisotropical theories.

研究の動機と目的

• 粒子寿命の異方性を調べることで、ローレンツ不変性の方向的破れを検証すること。
• K⁰_S中間子の寿命が、宇宙背景放射（CMB）静止系といった優先フレームに対して相対的な運動方向に依存するかどうかを調査すること。
• 地球の自転と4π検出器の立体角解像度を活用することで、中性K中間子崩壊におけるローレンツ破れ効果の実験的感度を向上させること。
• 標準模型拡張（SME）やRMS理論などの優先フレームを有する理論に対する、異方的拡張の制約をすること。
• 一方通行の光速測定に依存しない時間膨張の等方性の直接的検証をすること。

提案手法

• 2004年から2005年にかけてDAΦNEでKLOE検出器を用い、6230万件の良好に再構成されたK⁰_S → π⁺π⁻崩壊のデータを収集した。
• K⁰_Sの運動量を局所的なKLOEフレームから銀河座標系に変換し、CMB静止系に対する方向を特定した。
• CMBに対する地球の速度ベクトルに平行および反平行な30°の円錐内に位置するイベントを選別した。
• 各方向（上・下）における固有時間分布へのフィットにより、寿命τを抽出した。
• 系誤差を最小化するため対称的な定義を用い、非対称性Acone = (τ_up − τ_down)/(τ_up + τ_down)を計算した。
• 円錐ベースの非対称性を、全方向への外挿のために補正係数A_u ≃ 1.072 × Aconeを用いて、CMB運動ベクトルに沿った非対称性を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 K⁰_S中間子の寿命は、CMB静止系に対する相対的向きに依存するか？
• RQ2 中性K中間子崩壊において、時間膨張の異方性が検出可能か。これはローレンツ不変性の破れを示唆する。
• RQ3 測定された非対称性は、太陽系がCMBに対して有する速度（V/c = 1.23 × 10⁻³）を上回るか？
• RQ4 この実験は、標準模型拡張（SME）やRMS理論のようなローレンツ破れ理論をどの程度まで制約できるか？
• RQ5 光速の等方性とは独立して、時間膨張の等方性が成立するのか。これは伝統的解釈（コンベンショナリズム）が示唆するものである。

主な発見

• CMB方向に対するK⁰_S中間子寿命の測定非対称性はAcone,CMB = (−0.13 ± 0.40) × 10⁻³であり、ゼロと整合的である。
• 方向的非対称性に対する95%信頼水準の上界は|A|_CMB < 0.98 × 10⁻³であり、これまでで最も厳しい実験的制約である。
• この上界は、自然単位系における太陽系のCMBに対する速度（V/c = 1.23 × 10⁻³）を下回っており、力学的閾値を超える感度を示している。
• この結果は、以前の制約を1桁改善し、素粒子物理学における等方性テストの新たな基準を確立した。
• 垂直方向でのクロスチェックおよび絶対銀河座標（ℓ, b）abs = (277.6°, −34.5°)を用いた分析でも、Acone,abs = (−0.1 ± 0.3) × 10⁻³の結果が得られ、ゼロと整合的であった。
• 本研究では、非対称性定義により検出器の系誤差が効果的にキャンセルされることを示し、測定の堅牢性が裏付けられた。