[論文レビュー] Possible Effects of Lorentz Symmetry Violation on the Interaction Properties of Very High-Energy Cosmic Rays

Luis Gonzalez‐Mestres|ArXiv.org|Jun 23, 1997

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、極めて短い距離スケール、特にプランク長さ付近でのローレンツ対称性の破れが、10^19 eVを超えるエネルギーを持つ超高エネルギー宇宙線（UHECR）の相互作用特性を劇的に変化させ得ることを提案している。これは、宇宙線物理学における長年の謎、例えば10^19 eV以上のエネルギーを持つ粒子の起源や伝播に関する問題を解決する可能性を秘めている。また、このような破れが、大規模な検出器で検出可能な高エネルギー事象を生じる超光速物質領域を可能にする可能性があると示唆している。

ABSTRACT

Special relativity has been tested at low energy with great accuracy, but these results cannot be extrapolated to the very high-energy region. Introducing a critical distance scale, $a$ , below 10E-25 cm (the wavelength scale of the highest-energy observed cosmic rays) allows to consider models, compatible with standard tests of special relativity, where a small violation of Lorentz symmetry ($a$ can, for instance, be the Planck length, around 10E-33 cm) produces dramatic effects on the interaction properties of very high-energy particles. Lorentz symmetry violation may potentially solve all the basic problems raised by the highest-energy cosmic rays (origin and energy, propagation...). Furthermore, superluminal sectors of matter may exist and release very high-energy ordinary particles or directly produce very high-energy cosmic-ray events with unambiguous signatures in very large detectors. We discuss these phenomena, as well as the cosmic-ray energy range (well below the energy scale associated to the fundamental length) and experiments where they could be detected and studied.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー宇宙線（UHECR）観測における根本的な不整合を解消するために、プランクスケール未満のスケールにおけるローレンツ対称性の破れが有効であるかどうかを調査すること。
• 10^-25 cm未塔のスケールでのローレンツ不変性のわずかなずれが、UHECRの相互作用ダイナミクスに顕著な変化をもたらす仕組みを検討すること。
• 超光速物質領域が、明確で特徴的なシグナルを持つ観測可能な高エネルギー宇宙線事象を生成できる可能性を検討すること。
• これらの効果が、特に大規模な宇宙線検出器において検出可能となるような実現可能な実験設定を同定すること。
• ローレンツ一般相対性理論の低エネルギー実験的検証に反しない修正された相対論的枠組みを用いて、UHECRデータに見られる顕著な矛盾（例えばGZKカットオフの異常）を解消すること。

提案手法

• 高エネルギー領域におけるローレンツ対称性の破れをモデル化するため、プランク長さ（約10^-33 cm）に近い可能性のある臨界長さスケール $ a $ を導入する。
• 高エネルギー粒子の相対論的運動論に、小さなローレンツ対称性破れ補正を組み込むために、有効場理論の手法を適用する。
• このような破れが、プランクスケールに比べてはるかに低いエネルギー領域においても、粒子生成の閾値、崩壊率、および相互作用断面積にどのように影響するかを分析する。
• 通常の高エネルギー粒子へと崩壊するか、直接的に通常の粒子を生成できる仮想の超光速物質領域の存在を検討する。
• 大面積の宇宙線検出器における特徴的な運動量的およびエネルギー損失シグナルを通じて、こうした効果の検出可能性を評価する。
• 低エネルギーでの特殊相対性理論の実験的検証から得られる理論的制約を用いて、既存の実験データと整合性を保つことを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プランクスケール未満のスケールにおけるローレンツ対称性の破れが、相対性理論の低エネルギー実験的検証に矛盾しない範囲で、観測された超高エネルギー宇宙線の性質を説明できるか？
• RQ2 大規模な宇宙線検出器において、超光速物質領域の特徴的な検出シグナルは何か？
• RQ3 ローレンツ対称性破れ補正が、非常に高エネルギー粒子の相互作用断面積およびエネルギー損失機構にどのように影響を及ぼすか？
• RQ4 GZKカットオフの異常と、最高エネルギー宇宙線の起源は、基本的長さスケールを有する修正された相対論的枠組みによって解消可能か？
• RQ5 超高エネルギー宇宙線領域におけるローレンツ対称性破れ効果を検出するのに最も感度が高い実験設定は何か？

主な発見

• 10^-25 cm未満のスケール、特にプランクスケール付近でのローレンツ対称性の破れは、超高エネルギー宇宙線の相互作用特性に顕著な変化をもたらす可能性がある。
• このような破れは、観測されたGZKカットオフの抑制と10^19 eVを超える宇宙線の存在という、見かけ上の矛盾を解消する可能性を有する。
• 超光速物質領域は、大規模な検出器において明確で特徴的なシグナルを持つ高エネルギー宇宙線事象を直接生成できる。
• 破れスケールが現在の実験感度よりもはるかに小さいため、すべての低エネルギーでの特殊相対性理論の実験的検証と整合性を保っている。
• 関心の対象となるエネルギー領域は、プランクエネルギースケールよりもはるかに低いため、破れパラメータが小さくても、効果は実際に観測可能である可能性がある。
• 理論的予測では、今後の高角分解能および高エネルギー分解能を持つ大規模な宇宙線観測所で、こうした効果が探査可能であると示唆されている。