[論文レビュー] Multimessenger Tests of Einstein's Weak Equivalence Principle and Lorentz Invariance with a High-energy Neutrino from a Flaring Blazar

Jun-Jie Wei, Bin‐Bin Zhang+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2018

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、290 TeVの中性子星（IceCube-170922A）と発光するブラザールTXS 0506+056のマルチメッセンジャー一致を用いて、ニュートリノ伝搬におけるアインシュタインの弱等価原理（WEP）およびローレンツ不変性破れ（LIV）を検証する。重力ポテンシャルがLaniakeaスーパクラスターに起因するニュートリノとガンマ線光子の間の時間遅れを分析することにより、WEPの制約として|γν − γγ| < 8.5 × 10⁻⁶を達成し、量子重力エネルギースケールの新たな限界を設定する：線形LIVではEQG,1 > 3.2 × 10¹⁵ GeV、2次LIVではEQG,2 > 4.0 × 10¹⁰ GeVとなり、従来の結果より5〜7桁改善される。

ABSTRACT

The detection of the high-energy ($\sim290$ TeV) neutrino coincident with the flaring blazar TXS 0506+056, the first and only $3σ$ neutrino-source association to date, provides new, multimessenger tests of the weak equivalence principle (WEP) and Lorentz invariance. Assuming that the flight time difference between the TeV neutrino and gamma-ray photons from the blazar flare is mainly caused by the gravitational potential of the Laniakea supercluster of galaxies, we show that the deviation from the WEP for neutrinos and photons is conservatively constrained to have an accuracy of $10^{-6}-10^{-7}$, which is 3--4 orders of magnitude better than previous results placed by MeV neutrinos from supernova 1987A. In addition, we demonstrate that the association of the TeV neutrino with the blazar flare sets limits on the energy scales of quantum gravity for both linear and quadratic violations of Lorentz invariance (LIV) to $E_{ m QG, 1}&gt;3.2 imes10^{15}-3.7 imes10^{16}$ GeV and $E_{ m QG, 2}&gt;4.0 imes10^{10}-1.4 imes10^{11}$ GeV. These improve previous limits on both linear and quadratic LIV energy scales in neutrino propagation by 5--7 orders of magnitude.

研究の動機と目的

• 高エネルギーのニュートリノと宇宙からの光子の到着時間遅れを用いて、弱等価原理（WEP）を検証すること。
• ブラザールの爆発からのマルチメッセンジャー観測データを用いて、ニュートリノ伝搬におけるローレンツ不変性破れ（LIV）を制約すること。
• より高いエネルギーで、より正確に局在化されたニュートリノイベントを活用することで、超新星1987Aのニュートリノから得られた従来のWEPおよびLIVの限界を改善すること。
• 発光持続時間の仮定に応じた制約への影響を評価すること。保守的および楽観的な時間遅れ推定値を用いる。

提案手法

• 290 TeVニュートリノとTXS 0506+056からのガンマ線光子の間の時間遅れが主にLaniakeaスーパクラスターの重力ポテンシャルに起因すると仮定する。
• パラメータ化された後ニュートン形式（PPN）を用いて、ニュートリノと光子のPPNパラメータγの差異と時間遅れを関連付ける。
• 観測された時間遅れ（最大175日）を用いて、WEPからのずれを|γν − γγ|として制約する。
• エネルギー依存のニュートリノ伝搬遅れをモデル化し、それらを量子重力エネルギースケールEQG,1およびEQG,2に結びつけることで、線形および2次LIVの限界を導出する。
• 時間遅れの2つのシナリオを検討する：保守的な上限175日と、フレアピークのタイミングに基づく楽観的な推定15日。
• IceCube-170922Aデータから得られる150日間のニュートリノ放出ウィンドウを用いて、エネルギー依存のWEPおよびLIVの制約を追加で導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギーのニュートリノとブラザールからのガンマ線光子の到着時間遅れから、得られる弱等価原理（WEP）の最もきつい制約は何か？
• RQ2 TXS 0506+056からの290 TeVニュートリノとガンマ線光子の間の観測された時間遅れは、ニュートリノ伝搬における線形および2次ローレンツ不変性破れ（LIV）をどのように制約するか？
• RQ3 得られた量子重力エネルギースケール（EQG,1およびEQG,2）の限界は、超新星1987Aからのものと比較してどうなるか？
• RQ4 発光持続時間の仮定（例：15日対175日）が得られるWEPおよびLIVの制約に与える影響は何か？
• RQ5 発光するブラザールのマルチメッセンジャー観測は、従来のニュートリノベースのテストよりも、基本的対称性をより厳密に検証できるか？

主な発見

• ニュートリノと光子のWEP制約は|γν − γγ| < 8.5 × 10⁻⁶に制限され、これはSN 1987AのMeVニュートリノからの従来の限界より3〜4桁改善されたものである。
• 線形ローレンツ不変性破れ（LIV）に対しては、保守的な175日間の時間遅れを用いると、量子重力エネルギースケールはEQG,1 > 3.2 × 10¹⁵ GeVに制限される。
• 2次LIVに対しては、同じ保守的仮定のもとでEQG,2 > 4.0 × 10¹⁰ GeVの限界が得られ、従来のSN 1987Aに基づく限界より5〜7桁改善される。
• より短い15日間の時間遅れ（フレアピークでの発光を仮定）を用いると、限界はEQG,1 > 3.7 × 10¹⁶ GeVおよびEQG,2 > 1.4 × 10¹¹ GeVに厳しくなり、感度が10倍向上することが示された。
• IceCubeデータから得られる150日間の発光ウィンドウを用いることで、WEP制約は|γν(20 TeV) − γν(0.1 TeV)| < 7.3 × 10⁻⁶となり、LIVの限界はEQG,1 > 2.5 × 10¹⁴ GeVおよびEQG,2 > 3.0 × 10⁹ GeVとなる。
• 結果は、高エネルギーのニュートリノとブラザールの関連が、WEPおよびLIVの両分野で従来の限界を上回る、基礎物理学を検証する強力な新たなプローブであることを確認している。