[論文レビュー] Lorentz breaking effective field theory models for matter and gravity: theory and observational constraints

Stefano Liberati, David Mattingly|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2012

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ひとこと要約

本稿は、超高エネルギー宇宙線やガンマ線スペクトルなどの宇宙物理学的観測からの低エネルギー制約を用いて、物質および重力におけるローレンツ対称性の破れのための有効場理論モデルを開発する。特に電磁力学（QED）およびハドロン系におけるローレンツ対称性破れパラメータに対してきびしい制約を確立するが、重力系における制約のギャップや、UHECR伝搬における核組成モデルの改善の必要性を特定する。

ABSTRACT

A number of different approaches to quantum gravity are at least partly phenomenologically characterized by their treatment of Lorentz symmetry, in particular whether the symmetry is exact or modified/broken at the smallest scales. For example, string theory generally preserves Lorentz symmetry while analog gravity and Lifshitz models break it at microscopic scales. In models with broken Lorentz symmetry there are a vast number of constraints on departures from Lorentz invariance that can be established with low energy experiments by employing the techniques of effective field theory in both the matter and gravitational sectors. We shall review here the low energy effective field theory approach to Lorentz breaking in these sectors and present various constraints provided by available observations.

研究の動機と目的

• 物質および重力系におけるローレンツ対称性の破れのための低エネルギー有効場理論フレームワークを構築すること。
• 特に超高エネルギー宇宙線（UHECR）およびガンマ線スペクトルからの宇宙物理学的データを用いて、ローレンツ対称性破れパラメータの観測的制約を導出すること。
• 極端に高いエネルギーで重い原子核が支配的である可能性を含めたUHECRの組成に関する不確実性が、ローレンツ対称性破れの制約の堅牢性に与える影響を評価すること。
• 特にアインシュタイン・エーテル理論やホーラツァ＝リフシッツ重力理論のような理論における、重力系におけるローレンツ対称性破れを制約する上での未解決の課題を特定すること。
• 分散関係の修正がUHECR伝搬に与える影響、特に光分解および真空チチェレコフ放射に及ぼす影響を評価すること。

提案手法

• 高次元オペレーターを用いて、物質系および重力系におけるローレンツ対称性破れをモデル化する有効場理論（EFT）技術を用いる。
• UHECRスペクトルにおけるGZK特徴を、QEDおよびハドロン系におけるローレンツ対称性破れの主要な観測的プローブとして用いる。
• 宇宙空間を通過するUHE核における、真空チチェレコフ放射の欠如および光分解閾値の修正を用いた制約を適用する。
• 陽子および核の分散関係の修正を分析し、特に亜光速および超光速伝搬に対するローレンツ対称性破れ係数の制約を導出する。
• 現在および将来の実験、特に原子干渉計およびガンマ線観測所の感度が、ローレンツ対称性破れ重力における物質-テンソル結合に与える影響を評価する。
• 太陽系のテストを回避しつつローレンツ対称性破れを許容する修正重力モデル（アインシュタイン・エーテル理論やガリレオン理論など）の妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UHECRおよびガンマ線データから得られる、QED系およびハドロン系におけるローレンツ対称性破れパラメータに対する最も強い観測的制約は何か？
• RQ2 超高エネルギー宇宙線の組成に関する不確実性は、ローレンツ対称性破れの制約の堅牢性にどのように影響するか？
• RQ3 真空チチェレコフ放射および光分解閾値は、超光速および亜光速陽子伝搬をどの程度まで制約できるか？
• RQ4 特にアインシュタイン・エーテル理論およびホーラツァ＝リフシッツ重力理論モデルにおいて、現在の観測的制限はローレンツ対称性破れに対してどの程度の範囲をカバーしているか？
• RQ5 核の分散関係の修正は、予測されるUHECRスペクトルおよびローレンツ対称性破れの兆候の検出可能性にどのように影響するか？

主な発見

• 10^19 eVを超えるUHECRで陽子が支配的である場合に限り、QED系におけるローレンツ対称性破れの制約は堅牢である。E ~ 10^19.6 eVで重い核の存在の兆候が観測される場合、これらの制約は弱まる。
• 約10^19.6 eVで鉄で構成されたUHECRに対しては、ローレンツ対称性破れパラメータζ_pの上限はζ_p ≤ 2×10^2である。ヘリウムではζ_p ≤ 4×10^{-3}である。
• 超光速陽子に対しては、真空チチェレコフ放射の欠如から、鉄では10^20 eVでζ_p ≤ 4、ヘリウムではζ_p ≤ 4×10^{-3}の制約が得られる。
• 亜光速陽子は、核の崩壊過程におけるエネルギー運動量保存から制約され、結合エネルギーを補償するために放出される核子のエネルギーが低下する。
• 重力系におけるローレンツ対称性破れは依然として十分に制約されておらず、特にアインシュタイン・エーテル理論では、パrameter空間の広い領域が未検証のまま残っている。
• 将来の制約は、特に光分解およびエネルギー損失過程における、ローレンツ対称性破れ分散関係を用いたUHECR伝搬の定量的モデリングによって強化される可能性がある。