[論文レビュー] Prospective constraints on Lorentz violation from UHE photon detection

Г. И. Рубцов, Petr Satunin+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2013

Noncommutative and Quantum Gravity Theories被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、10^19 eVを超える超高エネルギー（UHE）光子の検出が、地球の大気および磁場との抑制された光子相互作用を活用することで、量子電磁力学におけるローレンツ対称性の破れを制約できることを提案している。このような光子の検出は、特定のローレンツ対称性の破れのシナリオを除外し、現在の限界よりも数個のオーダーも強い制約をもたらす。この制約は天体的起源の仮定に依存しない。

ABSTRACT

We point out that violation of Lorentz invariance affects the interaction of high-energy photons with the Earth's atmosphere and magnetic field. In certain parameter region this interaction becomes suppressed and the photons escape observation passing through the atmosphere without producing air showers. We argue that a detection of photon-induced air showers with energies above 10^19 eV, implying the absence of suppression as well as the absence of photon decay, will put tight double-sided limits on Lorentz violation in the sector of quantum electrodynamics. These constraints will be by several orders of magnitude stronger than the existing ones and will be robust against any assumptions about the astrophysical origin of the detected photons.

研究の動機と目的

• ローレンツ対称性の破れが地球の大気および磁場におけるUHE光子の相互作用に与える影響を特定すること。
• 抑制された光子相互作用が、ローレンツ不変性が保たれなければUHE光子が検出不能になることを確立すること。
• 観測されたUHE光子の空気シャワーを用いて、量子電磁力学におけるローレンツ対称性の破れに対する二重側の制約を導出すること。
• これらの制約が、UHE光子の天体的起源に関する不確実性に対して頑健であることを保証すること。

提案手法

• 地球の大気中における光子伝播を変更するローレンツ対称性の破れを示す量子電磁力学の相互作用をモデル化すること。
• このような破れが、大気中の物質および磁場との光子相互作用をどのように抑制するかを分析すること。
• UHE光子が空気シャワーを生成するか、または崩壊を避ける条件を評価すること。
• 10^19 eVを超える観測されたUHE光子の検出を、ローレンツ対称性の破れに対するノルムテストとして用いること。
• 検出された事象において抑制や崩壊が観測されないという仮定に基づき、ローレンツ対称性の破れパラメータの境界を導出すること。
• 空気シャワーの検出をプローブとして用い、光子系におけるローレンツ対称性の破れに対する二重側の限界を設定すること。

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が、地球の大気および磁場とのUHE光子相互作用をどのように抑制する条件にあるか。
• RQ2 ローレンツ対称性の破れが、空気シャワー生成によるUHE光子の検出可能性にどのように影響を与えるか。
• RQ3 観測されたUHE光子の空気シャワーにおいて抑制が認められないことから、量子電磁力学におけるローレンツ対称性の破れにどのような制約を導けるか。
• RQ4 これらの制約は、UHE光子の天体的起源に関する仮定に対してどれほど頑健か。
• RQ5 UHE光子の検出は、光子系におけるローレンツ対称性の破れパラメータに対する二重側の限界をどれほど感度よく探ることができるか。

主な発見

• 10^19 eVを超えるUHE光子誘発空気シャワーの検出は、ローレンツ対称性の破れによる抑制が存在しないことを示している。
• このような抑制が認められないことと、観測された光子の崩壊が見られないことの両方が、量子電磁力学におけるローレンツ対称性の破れに対する強い二重側の制約をもたらす。
• これらの制約は、既存の限界よりも数個のオーダーもきびしい。
• 導出された境界は頑健であり、検出された光子の天体的起源に関する仮定に依存しない。
• この手法は、大気中をの伝播および磁場効果を用いて、光子系におけるローレンツ不変性の破れを直接的に探る手段を提供する。