[論文レビュー] Deformed Lorentz Symmetry and Ultra-High Energy Cosmic Rays

Luis Gonzalez‐Mestres|ArXiv.org|May 21, 1999

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、プランクスケールにおけるローレンツ対称性の破れ（LSV）が、低エネルギーではローレンツ不変性を保ちつつ超高エネルギーで相対論的運動論を変更する「変形ローレンツ対称性」（DLS）を生じる可能性を提案している。10⁻⁶程度のLSVがプランクスケールに存在すれば、超高エネルギー宇宙線におけるGZKカットオフの不在や、粒子の安定性、相互作用率の低下といった他の異常を説明できる可能性がある。

ABSTRACT

Lorentz symmetry violation (LSV) is often discussed using models of the $THεμ$ type which involve, basically, energy independent parameters. However, if LSV is generated at the Planck scale or at some other fundamental length scale, it can naturally preserve Lorentz symmetry as a low-energy limit (deformed Lorentz symmetry, DLS). Deformed relativistic kinematics (DRK) would be consistent with special relativity in the limit $k$ (wave vector) $ o ~0$ and allow for a deformed version of general relativity and gravitation. We present an updated discussion of the possible implications of this pattern for cosmic-ray physics at very high energy. A $\approx ~10^{-6}$ LSV at Planck scale, leading to a DLS pattern, would potentially be enough to produce very important observable effects on the properties of cosmic rays at the $\approx \~10^{20} eV$ scale (absence of GZK cutoff, stability of unstable particles, lower interaction rates, kinematical failure of the parton model...). We compare our approach with more recent similar claims made by S. Coleman and S. Glashow from models of the $THεμ$ type.

研究の動機と目的

• プランクスケールにおけるローレンツ対称性の破れ（LSV）が、低エネルギー物理と整合的である変形ローレンツ対称性（DLS）を生じるかどうかを調査すること。
• DLSが超高エネルギー宇宙線（UHECR）物理学に与える影響、特に観測されたGZKカットオフの不在を検討すること。
• エネルギーに依存しないパラメータに依存するTHεμ型のような従来のLSVモデルと対比すること。
• DLSが極端なエネルギーにおける通常不安定な粒子の安定性や、相互作用率の低下といった運動論的異常をどのように説明できるかを評価すること。
• 低運動量では特殊相対性理論と整合的であり、高エネルギーでは一般相対性理論と整合的である、体系的な記述枠組みを提供すること。

提案手法

• 波数ベクトル（k → 0）の極限でのみローレンツ対称性が保たれる変形相対論的運動論（DRK）フレームワークを提案する。
• プランクスケールに起因するLSVを導入し、その大きさは約10⁻⁶であり、超高エネルギー（約10²⁰ eV）で観測可能なずれを生じる。
• DLS下での修正された分散関係および運動論的制約を導出し、標準的でない粒子崩壊や相互作用を可能にする。
• DLSフレームワークを宇宙線の伝播に適用し、GZKカットオフの抑制およびパートンモデルの破綻に及ぼす影響を分析する。
• DLSの予測をTHεμ型モデルと比較し、DLSの低エネルギー整合性が顕著な利点であることを強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プランクスケールに起因するローレンツ対称性の破れは、低エネルギー物理と整合的である変形ローレンツ対称性を生じるか？
• RQ2 プランクスケールにおける約10⁻⁶のLSVが、超高エネルギー宇宙線スペクトルにどのような観測可能な効果をもたらすか？
• RQ3 変形ローレンツ対称性（DLS）は、観測された宇宙線データにおけるGZKカットオフの不在をどのように説明するか？
• RQ4 DLSは、10²⁰ eV付近のエネルギーで粒子崩壊や相互作用の運動論をどのように変化させるか？
• RQ5 DLSモデルは、従来のTHεμ型モデルと比較して、低エネルギー極限および実験的制約との整合性においてどのように異なるか？

主な発見

• 約10⁻⁶のプランクスケールにおけるLSVは、低エネルギーでのローレンツ不変性を保つ変形ローレンツ対称性（DLS）を生成できる。
• DLSは、超高エネルギー宇宙線におけるGZKカットオフの抑制を引き起こす修正された相対論的運動論（DRK）を生じる。
• DLSは、崩壊運動論が変化することで、通常は不安定な粒子が超高エネルギーで安定化する傾向を予測する。
• DLS下では、宇宙線の相互作用率が顕著に低下し、高エネルギー粒子フラックスの観測と整合的である。
• DLSフレームワークは、特殊相対性理論および一般相対性理論の高エネルギーへの一貫的な拡張を可能にし、エネルギーに依存しないLSVモデルの矛盾を回避する。
• このモデルは、THεμ型モデルの代替として現象論的に妥当であり、低エネルギー整合性が高く、約10²⁰ eVで観測可能な効果を示す。