[論文レビュー] Evading the GZK Cosmic-Ray Cutoff

Sidney Coleman, Sheldon L. Glashow|ArXiv.org|Aug 27, 1998

Particle Detector Development and Performance被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、現在の実験で検出可能なほど小さいローレンツ不変性の破れが、超高エネルギー宇宙線陽子と宇宙マイクロ波背景放射光子の非弾性衝突を抑制または禁止し得ることを提案している。これにより、グライゼン＝ツァツェピン＝クズミン（GZK）カットを回避できる。このようなローレンツ不変性の破れが存在するならば、5×10¹⁹ eVを超える宇宙線が宇宙論的距離を移動可能となり、観測された高エネルギー宇宙線と理論的予測のGZKカットとの間の矛盾を解消できる。

ABSTRACT

Explanations of the origin of ultra-high energy cosmic rays are severely constrained by the Greisen-Zatsepin-Kuz'min effect, which limits their propagation over cosmological distances. We argue that possible departures from strict Lorentz invariance, too small to have been detected otherwise, can affect elementary-particle kinematics so as to suppress or forbid inelastic collisions of cosmic-ray nucleons with background photons. Thereby can the GZK cutoff be relaxed or removed.

研究の動機と目的

• 微小なローレンツ不変性の破れが、GZKカットの原因となる非弾性反応を抑制できるかどうかを調査すること。
• 5×10¹⁹ eVを超える観測された超高エネルギー宇宙線と、それらの伝播を制限すると予測される理論的GZKカットとの間の不一致を解消すること。
• GZKカットが物理法則の必然的結果ではなく、厳密なローレンツ不変性に依存する仮説であることを主張すること。
• 現在のローレンツ不変性破れに関する実験的制約が、GZKカットを緩和または排除するのに十分な値を除外できないことを示すこと。
• このような破れの存在を検証するため、将来の高精度なローレンツ不変性の実験的検証を促すこと。

提案手法

• 標準模型ラグランジアンのローレンツ不変性破れ拡張を摂動的枠組みで定式化し、優先フレームにおけるゲージ不変性と回転対称性を保つこと。
• 粒子種別に到達可能な最大速度（MAV）を定義し、ローレンツ不変性の度合いをδab ≡ c²a − c²b として測定すること。
• ローレンツ不変性破れの条件下での陽子-CBR光子衝突の運動学的解析を実施し、特にΔ(1232)共鳴状態と単一π中間子生成を対象とすること。
• δΔpおよびδπpに依存する反応のエネルギー閾値を導出し、δの臨界値において閾値が発散することを示すこと。
• CBR光子の熱的分布（T = 2.73 K）を用いて、ローレンツ不変性破れの累積的効果が非弾性過程の全体的抑制に与える影響を評価すること。
• 理論的閾値と、δパラメータに関する既存の実験的制約を比較し、妥当性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 微小なローレンツ不変性の破れが、陽子-CBR光子衝突におけるΔ(1232)共鳴状態形成を運動学的に抑制できるか？
• RQ2 主要なGZKエネルギー損失過程を完全に禁止するには、どの程度のローレンツ不変性破れが必要か？
• RQ3 現在のローレンツ不変性破れに関する実験的制約は、GZKカットを回避する値を除外できるか？
• RQ4 GZKカットがローレンツ不変性破れによって緩和された場合、5×10¹⁹ eVを超える観測された超高エネルギー宇宙線のフラックスは、宇宙論的起源と整合するか？
• RQ5 将来の実験的検証で、GZKカットの欠如を説明できるローレンツ不変性破れパラメータを検出するにはどの程度の精度が必要か？

主な発見

• CBR光子と衝突する際にΔ(1232)共鳴状態の形成を運動学的に禁止するには、δΔp ≈ 3.5×10⁻²⁵ [ω/ω₀]² の臨界値が必要である。
• 単一π中間子生成に関しては、δπpが約1.1×10⁻²³ [ω/ω₀]² を超えると閾値が発散し、これより大きなδπpではこのチャンネルが完全に抑制されることを示している。
• δΔpおよびδπpがこれらの臨界閾値と同等またはそれ以上であれば、共鳴的および非共鳴的フォトパイオン生成の両方が抑制され、GZKカットが実質的に消失する。
• 現在のローレンツ不変性破れに関する実験的制約（例：|δmγ| < 6×10⁻²² および δνν′ < 2×10⁻²¹）は、必要な破れを除外するには弱すぎる。
• 理論的モデルは、10⁻²⁵程度の精度に達する実験的検証が、必要なローレンツ不変性破れパラメータを検出可能であると示唆している。
• したがって、宇宙線データに顕著なGZKカットが観測されないことは、アストロフィジカルモデルの欠陥ではなく、ローレンツ不変性破れの証拠である可能性がある。