[論文レビュー] Lorentz violation, vacuum, cosmic rays, superbradyons and Pamir data

Luis Gonzalez‐Mestres|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2010

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 35被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、超高エネルギー領域におけるローレンツ対称性の破れ（LSV）が、~10^16 eV 以上のエネルギーで観測されたパミール宇宙線データにおける異常なジェット構造を、横方向運動の抑制を伴うエネルギー損失メカニズムによって説明できるかもしれないと提案している。このエネルギー損失は、縦方向の運動量に影響を与えることなく、横方向の運動量を抑制する。超光速粒子とされる仮説的粒子「スーパibradyon」が、このようなエネルギー損失を媒介し、真空中のエネルギーを捕獲することで、ジェットを引き伸ばすメカニズムを提供する。このメカニズムは、低エネルギー領域におけるLSVの実験的制約と整合的である。

ABSTRACT

The possibility that Pamir data at very high energy cannot be fully explained by standard physics has recently led to the suggestion that the peculiar jet structure observed above ~ 10E16 eV could be due to a suppression of effective space transverse dimensions. The new pattern considered violates Lorentz symmetry. We point out that, in models with Lorentz symmetry violation, a suppression of available transverse energy for jets while conserving longitudinal momentum can be generated by new forms of energy losses at very high energy without altering space-time structure. An illustrative example can be superbradyon emission, where in all cases the superbradyon energy would be much larger than its momentum times c (speed of light). More generally, such phenomena could be due to the interaction of the high-energy cosmic ray with new vacuum and/or particle structure below the 10E-20 cm scale. Scenarios involving Lorentz symmetry violation but not superbradyons are also briefly considered.

研究の動機と目的

• パミール宇宙線データにおいて観測された、~10^16 eV 以上のエネルギー領域で見られる異常なジェット構造が、ローレンツ対称性の破れ（LSV）によって説明可能かどうかを調査すること。
• プランクスケール以下でのLSVが、時空幾何学を変化させることなく、高エネルギー宇宙線衝突における横方向エネルギーの有効な抑制をどのように生成するかを明らかにすること。
• スーパbradyonが、縦方向運動量を維持しつつ横方向運動を減少させるエネルギー損失のメカニズムとして実現可能かどうかを評価すること。
• 10^-20 cm 未満のスケールにおける真空中の構造が、超高エネルギー宇宙線衝突における新たなエネルギー損失チャネルを媒介できるかどうかを検討すること。
• 高エネルギー領域でのLSV効果が、既存の低エネルギー実験的制約（ローレンツ対称性の破れに関する制約）とどのように調和できるかを検討すること。

提案手法

• 超高エネルギー領域におけるLSV効果をモデル化するため、真空中静止系（VRF）で二次的変形された相対論的運動学（QDRK）を用いる。
• スーパbradyonが高エネルギーで生成され、運動量が無視できるほど小さい状況を想定し、真空中からのエネルギー捕獲によって E >> pc を満たす運動論的モデルを適用する。
• UHECRと大気の衝突におけるエネルギー運動量保存則を分析し、真空中がエネルギーを吸収するが、顕著な運動量を吸収しないと仮定する。
• 低エネルギー物理学とプランクスケールの間の中間スケールにおけるしきい値効果を検討し、高エネルギー領域でのLSVと低エネルギー制約の調和を図る。
• 真空中の励起が、横方向運動が抑制された通常の粒子の放出を引き起こす非スーパbradyon的LSVシナリオを評価する。
• 例えば、GeVスケールのスーパbradyonに対しては、質量・運動量・運動エネルギーの推定値（例：~10^-3 eV）を用いて、検出可能性と既存の制約との整合性を評価する。

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、~10^16 eV 以上のエネルギー領域で観測されたパミール宇宙線データにおける引き伸ばされたジェット構造を説明できるか？
• RQ2 UHECR衝突におけるエネルギー損失メカニズムは、縦方向運動量保存則に反することなく、どのように横方向運動量を抑制できるか？
• RQ3 スーパbradyonが、標的にエネルギーを伝達し、真空中にエネルギーを捕獲することで、横方向運動の有効な抑制をどのように実現できるか？
• RQ4 中間スケールにおけるLSVのしきい値効果は、強い高エネルギーLSVと弱い低エネルギー実験的制約の両立を可能にするか？
• RQ5 10^-20 cm 未満のスケールにおける真空中の構造が、UHECR衝突およびジェットの形状にどのような影響を及えるか？

主な発見

• ローレンツ対称性の破れは、時空幾何学を変化させることなく、高エネルギー宇宙線ジェットにおける横方向エネルギーの有効な抑制を生成できる。
• スーパbradyonの放出は、標的にエネルギーを捕獲し、運動量の転送を最小限に抑えるメカニズムを提供し、結果として引き伸ばされたジェットを生じる。
• エネルギーが約10^-3 eV、運動量が約10^-3 eV/c のスーパbradyonは、運動エネルギーが約10^-3 eV に相当し、非常に弱い相互作用を示し、検出が極めて困難である。
• エネルギーが約1 TeV、速度が約10^6c のスーパbradyonでは、静止エネルギーが約10^24 eV に達する可能性があり、v_s > c の場合、検出可能なチェレンコフ的放射を引き起こす可能性がある。
• 低エネルギー領域におけるLSVの制約と整合的であるのは、低エネルギー物理学とプランクスケールの間の途中のエネルギースケールにおけるしきい値効果のおかげである。
• 10^-20 cm 未満のスケールにおける真空中のダイナミクスは、エネルギー損失のための貯蔵庫として機能し得る。これにより、次元の削減や時空構造の変更を仮定せずに、ジェットの引き伸ばしを説明できる。