[論文レビュー] High-Energy Nuclear Physics with Lorentz Symmetry Violation

Luis Gonzalez‐Mestres|ArXiv.org|Aug 15, 1997

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ひとこと要約

この論文は、高エネルギーにおけるローレンツ対称性の破れが、超高エネルギー宇宙線のグライセン＝ツァツェピン＝クズミン切断の不在および短寿命粒子（中性子や原子核など）の極端なエネルギー下での安定性を説明できる可能性を提案する。基本的な長さスケールと優先的な真空静止枠を導入することで、局所的ローレンツ不変性を低エネルギーにおける発現的対称性として再解釈し、因果性に反するモデルを可能にし、標準的な高エネルギー制約を回避しながらも低エネルギー実験と整合性を保つ。

ABSTRACT

If textbook Lorentz invariance is actually a property of the equations describing a sector of the excitations of vacuum above some critical distance scale, several sectors of matter with different critical speeds in vacuum can coexist and an absolute rest frame (the vacuum rest frame) may exist without contradicting the apparent Lorentz invariance felt by "ordinary" particles (particles with critical speed in vacuum equal to $c$, the speed of light). Sectorial Lorentz invariance, reflected by the fact that all particles of a given dynamical sector have the same critical speed in vacuum, will then be an expression of a fundamental sectorial symmetry (e.g. preonic grand unification or extended supersymmetry) protecting a parameter of the equations of motion. Furthermore, the sectorial Lorentz symmetry may be only a low-energy limit, in the same way as the relation $ω$ (frequency) = $c_s$ (speed of sound) $k$ (wave vector) holds for low-energy phonons in a crystal. In this context, phenomena such as the absence of Greisen-Zatsepin-Kuzmin cutoff for protons and nuclei and the stability of unstable particles (e.g. neutron, several nuclei...) at very high energy are basic properties of a wide class of noncausal models where local Lorentz invariance is broken introducing a fundamental length. Observable phenomena are expected at very short wavelength scales, even if Lorentz symmetry violation remains invisible to standard low-energy tests. We present a detailed discussion of the implications of Lorentz symmetry violation for very high-energy nuclear physics.

研究の動機と目的

• ローレンツ対称性の破れが超高エネルギー核物理学に与える影響を調査すること。
• 超高エネルギー宇宙線スペクトルにおけるグライセン＝ツァツェピン＝クズミン切断の不在を説明すること。
• ローレンツ対称性の破れ条件下で、非常に高いエネルギー下でも不安定な粒子（例：中性子、原子核）がどのように安定しているかを検討すること。
• 局所的ローレンツ不変性が、プリオンのグランドユニフィケーションや拡張されたスピン統一理論のようなより深い対称性から発現する枠組みを提案すること。
• 臨界長尺度を介して、低エネルギーでの顕在的ローレンツ不変性と高エネルギーでの根本的破れを統合すること。

提案手法

• ローレンツ不変性が基本的な長さスケールによって破れ、優先的な真空静止枠を生じるモデルを導入する。
• 異なる物質セクターが真空中で異なる臨界速度を持つと仮定し、通常の粒子はその臨界速度としてcを持つとみなす。
• セクター的対称性を用いて力学をモデル化し、ローレンツ不変性を固体におけるフォノン分散に類似た低エネルギー限界として扱う。
• 高エネルギー核反応を記述するために、ローレンツ対称性を破る項を含む非因果的場の理論を適用する。
• この枠組み下での粒子の断面積と崩壊率のエネルギー依存性を分析し、安定性とスペクトル的特徴を評価する。
• 有効場理論的手法を用いて、特に陽子や原子核における標準的高エネルギー行動への補正を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ローレンツ対称性の破れは、超高エネルギー宇宙線スペクトルにおけるグライセン＝ツァツェピン＝クズミン切断の不在を説明できるか？
• RQ2 ローレンツ対称性の破れ下で、中性子や特定の原子核といった短寿命粒子が極めて高いエネルギーでどのように安定しているのか？
• RQ3 基本的な長さスケールが、高エネルギー核衝突の運動学的および力学的性質に与える影響は何か？
• RQ4 根本的なローレンツ対称性の破れを持つ理論において、局所的ローレンツ不変性がどのように低エネルギー近似として発現するのか？
• RQ5 優先的な真空静止枠の存在が、低エネルギーでのローレンツ不変性に矛盾しない形で高エネルギー核反応にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 超高エネルギー宇宙線スペクトルにおけるグライセン＝ツァツェピン＝クズミン切断の不在は、高エネルギーでのローレンツ対称性の破れによって自然に説明できる。
• 中性子や特定の原子核といった不安定な粒子は、ローレンツ対称性の破れ下で修正された運動学的性質により、超高エネルギー領域で安定性が向上する可能性がある。
• セクター的ローレンツ不変性は、根本的なローレンツ不変性が破れている場合でも、固体におけるフォノン系の線形分散関係 ω = c_s k に類似た低エネルギー限界として発現する。
• このモデルは、低エネルギーでのローレンツ対称性の破れを抑制する基本的な長さスケールを導入し、実験的検証との整合性を保つ。
• ローレンツ対称性の破れの観測的効果は、非常に短波長スケールで予想されるが、標準的な低エネルギー実験では未検出のままにとどまる可能性がある。
• この枠組みは、低エネルギー制約を満たしつつも、因果性に反するモデル内で一貫した高エネルギー核物理学を可能にする。