[論文レビュー] Have we tested Lorentz invariance enough?

David Mattingly|ArXiv.org|Feb 12, 2008

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 26被引用数 23

ひとこと要約

この論文は、厳密な実験的検証にもかかわらず、量子重力に由来するローレンツ対称性の破れ（LV）が、特定のアクセス可能なパrameter領域では理論的に妥当であると主張している。次元6までの演算子を含むベクトル場モデルを用いて、低エネルギー実験、ニュートリノ観測所、およびアージャー宇宙線観測所からの超高エネルギー宇宙線データが、これまでに除外されていなかったLVのシナリオを調べられることを示している。特に、CPT保存の次元4および6の演算子、および高エネルギー光子の到着時遅れは、有効場理論を超える物理現象を示唆する可能性がある。

ABSTRACT

Motivated by ideas from quantum gravity, Lorentz invariance has undergone many stringent tests over the past decade and passed every one. Since there is no conclusive reason from quantum gravity that the symmetry extit{must} be violated at some point we should ask the questions: a) are the existing tests sufficient that the symmetry is already likely exact at the Planck scale? b) Are further tests simply blind searches for new physics without reasonable expectation of a positive signal? Here we argue that the existing tests are not quite sufficient and describe some theoretically interesting areas of existing parameterizations for Lorentz violation in the infrared that are not yet ruled out but are accessible (or almost accessible) by current experiments. We illustrate this point using a vector field model for Lorentz violation containing operators up to mass dimension six and analyzing how terrestrial experiments, neutrino observatories, and Auger results on ultra-high energy cosmic rays limit this model.

研究の動機と目的

• 現在のローレンツ対称性の破れに関する実験的検証が、量子重力に由来する破れをすべて除外できるかどうかを評価すること。
• 現在のデータでまだ除外されていない、理論的に妥当で実験的にアクセス可能なローレンツ破れの領域を特定すること。
• 有効場理論の低エネルギー効果としての量子重力の兆候として、ベクトル場モデルにおけるCPT保存の次元4および6の演算子の妥当性を評価すること。
• 高エネルギー光子の到着時遅れが、非有効場理論的量子重力効果のプローブとしてどのように機能するかを検討すること。
• 何十年にもわたるゼロ結果にもかかわらず、特定のパrameter空間における継続的な検証が科学的に正当化され続ける理由を主張すること。

提案手法

• 単位時間的ベクトル場 $ u^\mu $ を用いて、フェルミオンおよび光子と結合する簡略化されたローレンツ対称性破れ場理論を構築し、質量次元6までの演算子を含む。
• ラグランジアンから光子の分散関係を導出し、$ \omega^2 = k^2 \pm \xi k^3 / E_{Pl} $ の形をしたエネルギー依存の速度補正を含む。この補正は真空中のバイレフレンスを予測する。
• 地上実験、ニュートリノ観測所（例：ICECUBE）、およびアージャー観測所からの超高エネルギー宇宙線データからの制約を分析する。
• ガンマ線バーストの後光にバイレフレンスが観測されないという事実をもとに、係数 $ \xi < 10^{-7} $ を制約する。一方で、マークリアン501からの4分間の遅れ報告と比較する。
• 有効場理論の有効性に影響を与える、確認された到着時遅れの意味を評価し、このような信号が標準的有効場理論を超える物理現象を示す可能性があると指摘する。
• 超対称性とCPT対称性が小さなLV効果を保護する役割を果たすことを考慮し、SUSYの破れスケールが1 PeV未満であれば、LVが現在のデータと整合的である可能性があると示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のローレンツ対称性の破れに関する実験的検証は、理論的に妥当な量子重力に起因する破れをすべて除外できるか？
• RQ2 既存の実験的制約のもとで、ベクトル場モデルにおけるCPT保存の次元4および6の演算子は、依然として妥当性を保っているか？
• RQ3 ガンマ線バーストからの高エネルギー光子の到着時遅れは、非有効場理論的量子重力効果を独自に探るプローブとして機能するか？
• RQ4 ニュートリノ観測所や超高エネルギー宇宙線実験（例：アージャー）は、次元6のローレンツ対称性破れ演算子を制約できるか？
• RQ5 到着時遅れが、源の効果を除いて確認された場合、有効場理論にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 回転対称性を持つ分散関係においてエネルギー依存の光子速度を支配する係数 $ \xi $ は、ガンマ線バーストの後光からの観測によって $ |\xi| < 10^{-7} $ まで制約され、多くの非有効場理論モデルが除外された。
• マークリアン501からの4分間の光子遅れ報告は、源の効果が除外されない限り有効場理論と整合しない。これは、標準的有効場理論を超える物理現象の可能性を示唆する。
• CPT保存の次元4の演算子は低エネルギー実験によって制約されており、今後の改善により、LVモデルにおける超対称性の破れスケールがTeVスケール未満にまで押し下げられる可能性がある。
• CPT保存の次元6の演算子は、現在の宇宙線実験（例：アージャー）および近い将来のニュートリノ観測所（例：ICECUBE）によってもアクセス可能であり、感度がO(1)に近づいている。
• 高エネルギー光子の到着時遅れは、他の実験的手法では制約されないため、非有効場理論的量子重力シナリオを調べるための独自かつ重要なプローブのままである。
• これらの主要な領域で信号が得られなければ、ローレンツ対称性は正確である可能性があるが、これはLVがベクトル場以外のメカニズムに由来するか、不自然に隠されている場合に限る。この場合、現在の枠組みを超える新しい物理現象が示唆される。