[論文レビュー] Exploration of possible signals beyond special relativity using high-energy astroparticle physics

M. A. Reyes|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2023

Astrophysics and Cosmic PhenomenaPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本学位論文は、高エネルギー宇宙線粒子観測データを用いて特殊相対性理論を超える物理学の兆候を調査し、ローレンツ不変性破れ（LIV）および二重特殊相対性理論（DSR）に焦点を当てている。高エネルギーニュートリノおよびガンマ線の伝播モデルを用いてスペクトルカットオフと時間遅れを予測し、超光速ニュートリノを伴うLIVはフラックスカットオフに加えて先行する過剰を引き起こすのに対し、DSRモデルはガンマ線透過率を変化させ、エネルギー依存の時間遅れを引き起こし、地上および宇宙機器による観測で検証可能なシグナルを提供する。

ABSTRACT

To unify the standard model of particle physics and general relativity, we may require a quantum description of gravity, which will change our notion of spacetime at very high energies. In this dissertation we explore possible traces of new physics beyond special relativity, using the propagation of high energy astroparticles. For this purpose, the two ways of going beyond Lorentz invariance are presented, a breaking of the Lorentz invariance (Lorentz invariance violation or LIV or its deformation (doubly special relativity or DSR), emphasizing their conceptual and phenomenological differences. For the study of LIV, the work focuses on the prediction of modifications in the expected neutrino flux on Earth, both from astrophysical and cosmogenic origin (from the interaction of cosmic rays with the background radiation during their propagation). For the study of DSR we focus instead on the search for anomalies in the time of flight of massless particles (time delays) and on the study of the expected flux of gamma rays on Earth. The results obtained show the possibility of using astroparticle observations as a window to quantum gravity phenomenology, at energies attainable at present and/or in the very near future.

研究の動機と目的

• 高エネルギー宇宙線観測を用いて、特殊相対性理論を超える物理学の実験的検証可能な兆候を同定すること。
• 超光速ニュートリノを伴うローレンツ不変性破れ（LIV）が、地球におけるニュートリノフラックスおよびスペクトル形状に与える影響を調査すること。
• 二重特殊相対性理論（DSR）がガンマ線伝播に与える影響、特に透過率および飛行時間差に与える影響を評価すること。
• 宇宙創出ニュートリノピークとLIVに起因するカットオフの相互作用が、銀河間背景光との相互作用の文脈でどのように影響を及えるかを検討すること。
• DSRフレームワークから導かれる非可換時空構造における時間遅れ予測の整合性を評価すること。

提案手法

• 高エネルギー粒子反応における共線近似を用いて、崩壊幅および断面積の計算を単純化する。
• 超光速ニュートリノを伴う特定のLIVモデルを適用し、それらを不安定な粒子として扱い、e⁺e⁻およびνν̄対への崩壊を考慮する。
• 宇宙マイクロ波背景（CMB）との相互作用によるニュートリノ伝播をモデル化し、LIVに起因するスペクトルカットオフを組み込む。
• DSR効果がガンマ線伝播に与える影響をDCL1モデルを用いて分析し、エネルギー依存の透過率変化を計算する。
• エネルギー運動量空間におけるポアソン括弧を用いて、高エネルギー光子と低エネルギー光子間の時間遅れの公式を導出する。非可換時空形式を用いても同様の結果を得る。
• 正準座標（x,t）と非正準座標（X,T）の間の座標変換を実施し、時間遅れ予測の不変性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超光速ニュートリノを伴うローレンツ不変性破れ（LIV）は、高エネルギーニュートリノスペクトルに検出可能なスペクトルカットオフとフラックス過剰を引き起こすか？
• RQ2 LIVはCMB相互作用に起因する宇宙創出ニュートリノピークの可視性にどのように影響を及ぼし、カットオフ前の蓄積によって強化されるか？
• RQ3 二重特殊相対性理論（DSR）は、高エネルギーガンマ線に対する宇宙の透過率にどのような影響を及えるか？
• RQ4 DSRモデルは高エネルギー光子と低エネルギー光子の間で測定可能な時間遅れを予測するか？また、非可換時空構造のもとでもその予測は頑健か？
• RQ5 正準座標（x,t）から非正準座標（X,T）への座標変換において、異なるエネルギーの光子間の時間遅れは不変か？

主な発見

• 超光速ニュートリノを伴うLIVモデルは、地球におけるニュートリノフラックスにスペクトルカットオフを引き起こし、崩壊に起因する放射によりその前触れとして小さなフラックス過剰を伴う。
• LIVに起因するカットオフは、CMB相互作用に起因する宇宙創出ニュートリノピークを抑制するが、カットオフ前の蓄積によって強化されない限り、検出不能になる可能性がある。
• カットオフ前のフラックス蓄積は、銀河間背景光との宇宙線相互作用に起因するピークと重なり合い、この成分の検出可能性を高める。
• DCL1 DSRモデルでは、高エネルギー領域において宇宙のガンマ線透過率が漸近的に低下するが、その前段階で一時的な増加が観測される。
• DSRモデルにおける高エネルギー光子と低エネルギー光子の間の時間遅れはエネルギー依存的であり、相対局所性フレームワークと整合的であり、非可換時空座標変換に対しても予測が不変である。
• 非可換時空座標（X,T）で導出された時間遅れは、正準座標（x,t）での結果と一致し、異なる時空記述における遅れ予測の頑健性が確認された。