[論文レビュー] Background Dependent Lorentz Violation from String Theory

Tianjun Li, Dimitri V. Nanopoulos|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2011

Noncommutative and Quantum Gravity Theories被引用数 14

ひとこと要約

本稿は、D3-braneとD7-braneを用いたType IIB超弦理論において、背景依存的なローレンツ対称性の破れを提案する。ここで、粒子の速度偏差δvはエネルギーおよびD3-brane密度に比例し、超弦スケールに反比例する。このモデルは、10⁵ GeV程度の超弦スケールを仮定することで、OPERAおよびMINOS実験における超光速ニュートリノの結果を説明し、同時にMAGIC、HESS、FERMI実験における光子のエネルギー依存性時間遅れを低密度の銀間D3-braneによって説明する。このモデルは、天体物理学的制約（SN1987a、カブスネビュラのシンクロトロン放射、宇宙線実験）を満たしている。

ABSTRACT

We revisit Lorentz violation in the Type IIB string theory with D3-branes and D7-branes. We study the relativistic particle velocities in details, and show that there exist both subluminal and superluminal particle propagations. In particular, the additional contributions to the particle velosity δv\equiv (v-c)/c from string theory is proportional to both the particle energy and the D3-brane number density, and is inversely proportional to the string scale. Thus, we can realize the background dependent Lorentz violation naturally by varying the D3-brane number density in space time. To explain the superluminal neutrino propagations in the OPERA and MINOS experiments, the string scale should be around 10^5 GeV. With very tiny D3-brane number density on the interstellar scale, we can also explain the time delays for the high energy photons compared to the low energy photons in the MAGIC, HESS, and FERMI experiments simultaneously. Interestingly, we can automatically satisfy all the stringent constraints from the synchrotron radiation of the Crab Nebula, the SN1987a observations on neutrinos, and the cosmic ray experiments on charged leptons. We also address the possible phenomenological challenges to our models from the relevant experiments done on the Earth.

研究の動機と目的

• OPERAおよびMINOS実験で観測された異常な超光速ニュートリノ伝播を説明すること。
• MAGIC、HESS、FERMI実験で観測された高エネルギー光子のエネルギー依存性時間遅れを説明すること。
• SN1987a、カブスネビュラのシンクロトロン放射、および宇宙線実験からの厳密な天体物理学的制約とこれらの現象を整合させる。
• D3-braneの数密度を調整可能なパラメータとして用いることで、Type IIB超弦理論内での自然な背景依存的ローレンツ対称性の破れのメカニズムを提案すること。

提案手法

• D3-braneとD7-braneを伴うType IIB超弦理論において、粒子の速度補正δv ≡ (v−c)/cを導出し、粒子のエネルギーおよびD3-braneの数密度に依存することを示す。
• パラメータV_A3、η、ξを用いて有効な量子重力スケールM_QGをモデル化し、天体物理学的実験で観測された時間遅れに一致するようにキャリブレーションする。
• 時空フォームのD粒子モデルを用いて真空屈折率効果を記述し、内部自由度との超弦的相互作用と結びつける。
• 地球環境と銀間空間の異なる領域におけるD3-braneの数密度を調整することで、環境に応じた異なるローレンツ対称性の破れ効果を実現する。
• SN1987a、カブスネビュラ、宇宙線データからの制約を適用し、電子およびミューオンのδvを束縛することで観測と整合することを保証する。
• 地上実験の課題（例：LEP、KamLAND）に対処するため、地上環境と銀間空間の真空性質が異なると仮定し、δv_eが観測と整合することを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 D3-braneとD7-braneを用いた超弦理論的モデルは、OPERAおよびMINOS実験における超光速ニュートリノ結果を自然に説明できるか？
• RQ2 同じモデルが、MAGIC、HESS、FERMI実験で観測された高エネルギー光子のエネルギー依存性時間遅れを同時に説明できるか？
• RQ3 このモデルは、電荷を帯びたレプトンに対して、SN1987aニュートリノ観測、カブスネビュラのシンクロトロン放射、および宇宙線実験からの厳密な制約を満たすことができるか？
• RQ4 観測された時間遅れを再現し、地上実験と整合するための必要な超弦スケールおよびD3-braneの数密度は何か？

主な発見

• OPERAおよびMINOSのニュートリノ異常を説明するための超弦スケールは、約10⁵ GeVである。
• 銀間空間におけるD3-braneの数密度が非常に低い状態では、MAGIC、HESS、FERMI実験で観測された高エネルギー光子の時間遅れを再現できる。
• 有効な量子重力スケールM_QG ≈ 0.98×10¹⁸ GeVは、銀間空間パラメータ(V_A3)^1/3 ≈ 1.9×10⁸ GeV⁻¹、η^IS ≈ 1.6×10⁻⁴⁰、ξ^IS ≈ 2.4×10¹³を用いて達成される。
• このモデルは、SN1987aからの制約（|δv_ν| ≤ 2×10⁻⁹、15 MeVで）および宇宙線観測からの制約（δv_e < 10⁻¹³およびδv_e < 10⁻¹⁵）を自動的に満たす。
• FERMI GRB 090510の制約は、関連する方向におけるV_A3^ISをより小さな値に調整することで説明でき、M_QG > 1.22×10¹⁹ GeVを達成できる。
• 地上実験の課題（例：LEP、KamLAND）は、LEPトンネル内の真空が銀間空間の真空と異なると仮定することで解決され、δv_eが観測と整合するようになる。