[論文レビュー] New indirect bounds on Lorentz violation in the photon sector

F. R. Klinkhamer|ArXiv.org|Oct 8, 2008

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、超高エネルギー宇宙線（UHECR）およびTeVガンマ線を用いて、真空チェレンコフ放射や光子崩壊といった禁じられた崩壊過程を活用することで、光子系におけるローレンツ対称性の破れに関する新たな間接的制約を提示する。実験室での既存の制約を数個のオーダー改善し、等方的パラメータに関しては$10^{-19}$レベルまで感度を向上させ、単一スケールの古典的時空泡沫モデルはプランクスケールの距離まで排除する。

ABSTRACT

Direct laboratory bounds on the 9 nonbirefringent Lorentz-violating dimensionless parameters of modified-Maxwell theory range from the 10^{-7} level to the 10^{-16} level. The detection of air showers initiated by charged primaries (ultrahigh-energy cosmic-rays) and neutral primaries (TeV gamma-rays) allows us to obtain new indirect bounds ranging from the 10^{-15} level to the 10^{-19} level. Possible physics implications are briefly discussed.

研究の動機と目的

• 宇宙線観測を活用することで、光子系におけるローレンツ対称性の破れパラメータの既存の実験室制約を改善すること。
• 観測された粒子崩壊閾値から導かれる制約を用いて、古典的時空泡沫モデルの妥当性を検証すること。
• ゲージ不変性、CPT対称性、再正則化可能性を保ちつつ、修正マクスウェル理論におけるローレンツ対称性の破れの意味を検討すること。
• 大気シャワーにおける禁じられた崩壊過程の不在を根拠に、非二重屈折性のローレンツ対称性の破れパラメータに対する間接的制約を確立すること。

提案手法

• 定数背景テンソル$\kappa^{\mu\nu\rho\sigma}$を有する修正マクスウェル作用素を用いてローレンツ対称性の破れをモデル化し、9つの次元なし変形パラメータを持つ非二重屈折性セクターに制限する。
• 修正QEDラグランジアンから導かれる2つの禁じられた崩壊過程（真空チェレンコフ放射$p^{\pm} \to p^{\pm} \widetilde{\gamma}$および光子崩壊$\widetilde{\gamma} \to p^{-}p^{\pm}$）の閾値エネルギー条件を用いる。
• UHECRおよびTeVガンマ線観測で観測されたこれらの崩壊が観測されなかったことから、ローレンツ対称性の破れパラメータに対する上界を導出する。
• 地上観測によるUHECRおよびTeVガンマ線の制約と、既存の二重屈折性パラメータに関する宇宙線観測による制約を組み合わせ、全$\kappa^{\mu\nu\rho\sigma}$テンソルの制約を求める。
• 閾値エネルギーの式を用いる：$ (E_{\text{thresh}}^{(a)})^2 = \frac{M^2}{R[2\widetilde{\kappa}_{\text{tr}} - \epsilon^{ijk}(\widetilde{\kappa}_{\text{o}+})^{ij}\widehat{\mathbf{q}}^k - (\widetilde{\kappa}_{\text{e}-})^{jk}\widehat{\mathbf{q}}^j\widehat{\mathbf{q}}^k]} $および$ (E_{\text{thresh}}^{(b)})^2 = \frac{1 - \widetilde{\kappa}_{\text{tr}}}{-\widetilde{\kappa}_{\text{tr}}} 2M^2 $、ここで$ R[x] = (x + |x|)/2 $。
• UHECRのアージャー、AGASA、フライズアイ実験およびTeVガンマ線のHESS望遠鏡からのデータを用い、95%信頼水準（98%信頼水準）の二標準誤差の境界を設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UHECRおよびTeVガンマ線の宇宙線観測を用いて、光子系における非二重屈折性ローレンツ対称性の破れパラメータに対する間接的制約は何か？
• RQ2 大気シャワーにおける真空チェレンコフ放射および光子崩壊の不在は、等方的および非等方的ローレンツ対称性の破れパラメータをどのように制約するか？
• RQ3 これらの新しい制約によって、単一スケールの古典的時空泡沫モデルは排除できるか？
• RQ4 地上観測と宇宙線観測の制約を統合した場合、全ローレンツ対称性の破れテンソル$\kappa^{\mu\nu\rho\sigma}$に対する感度はどの程度か？

主な発見

• UHECRを用いた等方的ローレンツ対称性の破れパラメータ$\widetilde{\kappa}_{\text{tr}}$の制約は、98%信頼水準で$\widetilde{\kappa}_{\text{tr}} < 1.4 \times 10^{-19}$であり、以前の実験室制約を改善している。
• TeVガンマ線を用いた光子崩壊による等方的パラメータの制約は$-9 \times 10^{-16} < \widetilde{\kappa}_{\text{tr}}$であり、UHECRによる上界とは補完的な下界を提供する。
• 地上観測と宇宙線観測の制約を統合した結果、$\kappa^{\mu\nu\rho\sigma}$の任意の成分の絶対値の最大値に対する制約は、98%信頼水準で$\max |\kappa^{\mu\nu\rho\sigma}| < 5 \times 10^{-16}$である。
• UHECRによる制約$\widetilde{\kappa}_{\text{tr}} < 1.4 \times 10^{-19}$は、古典的時空が有効であると仮定すれば、欠陥のサイズに依存せず、プランクスケールまで単一スケールの古典的時空泡沫モデルを排除する。
• 非等方的パリティ奇数パラメータの制約は、57 EeVを超える29件のUHECRイベントに基づき、$| (\widetilde{\kappa}_{\text{o}+})^{(ij)} | < 2 \times 10^{-18}$および$| (\widetilde{\kappa}_{\text{e}-})^{(kl)} | < 4 \times 10^{-18}$である。
• 分析により、高エネルギー大気シャワーにおける禁じられた崩壊過程の不在が、ローレンツ対称性の破れに対する強力な間接的制約を提供することが確認され、現在の直接的実験室制約を最大12桁も上回る感度を達成している。