[論文レビュー] Future prospects of testing Lorentz invariance with UHECRs

Denise Boncioli, Armando di Matteo+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2015

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 22被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、伝播効果ではなく大気シャワーの発展を通じて、超高エネルギー宇宙線（UHECRs）がローレンツ不変性破れ（LIV）を検証する可能性を調査する。LIVに起因する中性パイオンの崩壊抑制がシャワー最大（X_max）を変化させ、ミューオン生成を増加させることを示しており、これは、源のエネルギー制限による伝播ベースの制約が無効化された場合でも、LIVパラメータを制約する新たな道筋を提供する。

ABSTRACT

In the last years a general consensus has emerged on the use of ultra-high energy cosmic rays (UHECR) data as a powerful probe of the validity of special relativity. This applies in particular to the propagation of cosmic rays from their sources to Earth, responsible for energy suppressions due to pion photoproduction by UHE protons (the Greisen-Zatsepin Kuzmin limit) and photo disintegration of UHE nuclei (the Gerasimova-Rozental limit). A suppression in the flux of UHECRs at energies above 40 EeV -- as expected from both these interactions -- has been established experimentally beyond any doubt by current experiments. However, such an observation is still not conclusive on the origin of the suppression. In particular, data from the Pierre Auger Observatory can be interpreted in a scenario in which the suppression is due to the maximum acceleration energy at the sources rather than to interactions in the background radiation. In this scenario, UHECR data can no longer yield bounds on Lorentz invariance violations which increase the thresholds for interactions of nuclei on background photons, in particular through modification of the dispersion relations. Here we argue in turn that the study of UHECRs still represents an opportunity to test Lorentz invariance, by discussing the possibility of deriving limits on violation parameters from UHECR phenomena other than propagation. In particular we study the modifications of the shower development in the atmosphere due to the possible inhibition of the decay of unstable particles, especially neutral pions.

研究の動機と目的

• 源のエネルギー制限による伝播ベースの制約が無効化される状況下で、UHECRがローレンツ不変性破れ（LIV）を検証する可能性を再評価すること。
• 特に中性パイオンの崩壊が抑制されるLIV効果が、大気シャワー発展に与える影響を通じて、LIVパラメータに対する代替的制約が得られるかを調査すること。
• LIVがシャワー発展に与える影響が、X_max やミューオン多重度といった観測可能な量に与える影響を評価すること。
• GZK/GR抑制が相互作用の閾値ではなく源のカットオフに起因する場合でも、現在および将来のUHECRデータがLIVをまだ制約可能かどうかを検討すること。
• 特に強いLIV状況において、大気中のLIV効果が伝播ベースのLIV検証と補完的となる可能性を検討すること。

提案手法

• 標準模型拡張（SME）における有効場理論的手法を用い、エネルギー依存性を持つLIVを、$ f_i / M_P^n $ 比例の項で記述する（$ n=1 $ または $ 2 $）。
• 高エネルギー領域 $ E_i \geq (M_P m_i^2 / |f_i|)^{1/3} $ で中性パイオンの崩壊が抑制されることを仮定し、最大効果を得るため $ -f_i = 1 $ とする。
• LIVに起因するパイオン崩壊抑制と相互作用率の増加を組み込んだ、修正されたEPOS衝突モデルを用いてUHECR大気シャワーをシミュレートする。
• 主エネルギーと組成データを用いて、LIVとローレンツ不変（LI）シナリオにおける予測されたX_maxとミューオン多重度を比較する。
• ピエール・オーリュール観測所のデータへのモデルフィットを評価し、$ \chi^2 $ を計算することで、LIVシナリオが観測されたスペクトルおよび組成とどの程度整合するかを評価する。
• 最低次のLIV補正のみを考慮し、粒子種別に同一の挙動を仮定し、高次の効果やCPT破れ効果は無視する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 源のエネルギー制限による伝播ベースの制約が無効化された場合、UHECRの大気シャワー発展がローレンツ不変性破れの制約に有効に機能するか？
• RQ2 LIVに起因する中性パイオンの崩壊抑制が、UHECR大気シャワーにおけるシャワー最大（X_max）とミューオン生成にどのように影響を与えるか？
• RQ3 LIVが伝播ではなくシャワー発展にのみ影響する場合、現在のUHECRデータがLIVパラメータにどの程度感度を持つのか？
• RQ4 最大源の剛性 $ R_{\text{max}} \approx 10^{19.2} \, \text{V} $ および $ \gamma = 2.65 $ のシナリオが、$ \chi^2 \approx 1.6 $ に相当するLIV修正シャワー発展を説明可能か？
• RQ5 大気中の粒子崩壊に及ぼされるLIV効果の大きさは、銀河間伝播に及ぼされるものと比べてどの程度で、依然として測定可能な制約を提供できるか？

主な発見

• 高エネルギー領域で中性パイオンの崩壊が抑制されることにより、電磁シャワーの発展が速くなり、シャワー最大（X_max）がより高い高度にシフトする。
• LIVシナリオでは、パイオン崩壊の減少と相互作用率の増加により、地上でのミューオン平均数がローレンツ不変（LI）ケースに比べて増加する。
• 強いLIV（$ n=1 $、$ f_i \approx O(1) $）の場合、$ R_{\text{max}} \approx 10^{19.2} \, \text{V} $ および $ \gamma = 2.65 $ の条件下で、オーリュールデータへのフィットにおいて $ \chi^2 \approx 1.6 $ にまで低下するが、標準的なLIモデルでは $ \chi^2 > 4 $ となる。
• LIVシナリオでは、UHECRの組成が軽い核種（H, He）に支配的になるため、データを説明するために重い一次粒子を仮定する必要がなくなる。
• LIVがシャワー発展に与える影響は伝播に与えるものより弱いが、スペクトルおよび組成データの改善により、依然として測定可能である可能性がある。
• 伝播ベースのLIVパラメータ制約が無効化される場合（例：$ f_i < -2.5 \times 10^{-14} $）、大気シャワー効果は依然としてLIVを制約する有効な道筋を提供するが、特に強い破れに対して顕著である。