[論文レビュー] Physical and Cosmological Implications of a Possible Class of Particles Able to Travel Faster than Light

Luis Gonzalez‐Mestres|ArXiv.org|Oct 24, 1996

Experimental and Theoretical Physics Studies参考文献 4被引用数 19

ひとこと要約

本稿は、真空中に光速を超える臨界速度を持つ粒子（超光速粒子）が存在しうる理論的枠組みを提案している。このような粒子は、c よりも高い有効な速度上限を持つミンコフスキー型の時空を感じ取りつつ、低エネルギーにおいてローレンツ不変性を保ち続ける。v > c である場合、これらの粒子は真空中でチェレンコフ放射を放出するため、高エネルギー宇宙線実験で検出可能なシグネチャを提供し、未解明の超高エネルギー宇宙線やダークマターの説明にも役立つ可能性がある。

ABSTRACT

If Lorentz invariance is only an approximate property of equations describing a sector of matter above some critical distance scale, the speed of light c will not necessarily be the only critical speed in vacuum. Superluminal sectors of matter may exist related to new degrees of freedom not yet discovered experimentally. The new particles would not be tachyons: they may feel different minkowskian space-times with critical speeds much higher than c and behave kinematically like ordinary particles apart from the difference in critical speed. We present a discussion of possible physical (theoretical and experimental) and cosmological implications of such a scenario, assuming that the superluminal sectors couple weakly to ordinary matter.

研究の動機と目的

• 真空中に光速 c よりも高い臨界速度を持つ物質領域が存在しうる理論的可視性を検討し、c が真空中で唯一の基本的速度であるという仮定に挑戦すること。
• もしその背後にある時空幾何学がミンコフスキー的でない場合でも、特定の物質領域においてローレンツ不変性が有効な対称性として現れる仕組みを調査すること。
• 弱い相互作用を示す超光速粒子の宇宙論的・天体物理学的影響を検討し、ダークマターおよび超高エネルギー宇宙線におけるその役割を検討すること。
• 高エネルギー加速器および宇宙線検出器における超光速粒子の検出可能なシグネチャを提案すること、特に真空中のチェレンコフ放射および非弾性衝突を含む。
• このような状況が相対性理論の標準的テストと整合しており、低エネルギーで観測された破れがないこととどのように整合するかを検討すること。

提案手法

• ローレンツ不変方程式（例：サインゴルドンソリトン）をガリレオ的背景時空で解析し、このような系が有効な速度 c_o ≠ c を持つ相対論的運動論的性質を示すことを示した。
• 真空中に複数の臨界速度が存在する概念を導入し、超光速粒子は c_i > c のより高い臨界速度を持つことにより、修正された相対論的運動論的性質を示す。
• チェレンコフ放射機構を真空中に適用：v > c_i である超光速粒子は、より低い臨界速度を持つ領域（通常の粒子を含む）の粒子から放射を放出する。
• 天体的源における超光速粒子の高エネルギー生成と、通常の物質との相互作用（エネルギー移動を伴う非弾性衝突を含む）をモデル化した。
• 超光速宇宙線が地球および銀河間媒体を通る際の伝播を検討し、弱い結合ゆえにほとんど減衰しないことを見出した。
• 大規模体積検出器におけるイベントのシグネチャを評価し、非イオン化で高エネルギーのエネルギー付加が起こり、地球を貫通する粒子からの起源である可能性を強調した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ローレンツ不変性を破るおそれなく、かつ低エネルギーでの相対性理論のテストに矛盾しない範囲で、臨界速度が c よりも高い物質領域が存在しうるか？
• RQ2 高エネルギー加速器および宇宙線検出器における超光速粒子の観測可能なシグネチャは何か、特に真空中のチェレンコフ放射を通じて。
• RQ3 超光速粒子の存在が、標準的なビッグバンモデル、大規模構造形成、および宇宙背景放射にどのように影響を及ぼすか？
• RQ4 超光速粒子が観測された100 EeVを超える超高エネルギー宇宙線のフラックスを説明できるか？また、それらは源の位置にどのような制約を課えるか？
• RQ5 大規模体積検出器において、超光速粒子が引き起こすイベントは、通常の粒子やニュートリノ由来のイベントとどのように区別できるか？

主な発見

• 臨界速度 c_i > c の超光速粒子は、ミンコフスキー的でない背景（例：ガリレオ的時空におけるサインゴルドンソリトン）においてローレンツ不変方程式の解として存在しうる。
• これらの粒子は、c_i² に比例する静止エネルギーを持つため、高い臨界速度ゆえに極めて大きな静止質量を持つ。
• 速度 v > c である超光速粒子は真空中でチェレンコフ放射を放出し、通常の粒子を含む、新たな高エネルギー宇宙線の源となる。
• 高エネルギーの超光速宇宙線は、地球をほとんど減衰せずに貫通し、検出可能な非弾性衝突を引き起こし、ほぼ全エネルギーを通常の二次粒子に移す。
• 超光速粒子が引き起こすイベントはイオン化を示さず、検出器内のどこからでも開始され、地球を貫通する粒子由来であるため、ニュートリノや通常の宇宙線由来のイベントとは区別できる。
• 超光速粒子のGZKカットオフは存在しないか、シフトしている可能性があり、100 EeVを超える未解明の超高エネルギー宇宙線イベントの説明に役立つ可能性がある。