[論文レビュー] Prospects of performing Lorentz invariance tests with VHE emission from pulsars

A. N. Otte|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2012

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 5被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、現在100 GeV以上で検出されているピルサールの非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線放射——特にカブス・ピルサール——を用いて、より高い感度でローレンツ不変性破れ（LIV）を検証する手法を提案する。パルスのピーク到着時刻におけるエネルギー依存性の遅れを測定することで、特に線形項に関しては、現在の最高の制約と同等のLIV制約を達成し、将来のCTA観測によってプランクスケールでのLIV効果を探索可能であると予測する。

ABSTRACT

Gamma-ray observations provide sensitive tests of Lorentz invariance violation (LIV). At present the most sensitive tests come from observations of transient events, gamma-ray bursts and flaring AGN. Disadvantages of transients are that an independent confirmation by a different experiment is often not possible and that limits cannot be improved with a longer exposure. Pulsars do not have these disadvantages. Testing Lorentz invariance with pulsars was not considered seriously so far because limits were not competitive. The VERITAS collaboration has recently reported the detection of pulsed emission from the Crab pulsar above 100 GeV. This measurement can be used to constrain LIV effects with a sensitivity that is competitive with some of the best available limits. In view of this unexpected result we discuss what the prospects are of doing LIV tests with very-high energy gamma-ray emission from pulsars.

研究の動機と目的

• ピルサールからのパルス状VHEガンマ線放射を、ローレンツ不変性破れ（LIV）の新しいプローブとして使用する可能性を評価すること。
• 繰り返し測定が困難で独立した確認が難しい、GRB やフレア銀河核（AGN）などの一時的源の限界を克服すること。
• VERITASが100 GeV以上でカブス・ピルサールを検出したことにより、LIV制約が競争力を持つことが示されること。
• CTA などの次世代機器を用いたより深い観測によって、将来のLIV感度の向上を予測すること。
• ピルサールの安定的・周期的な性質のおかげで、内部的源効果と伝搬に起因する遅れ（例：LIV）を明確に分離できること。

提案手法

• 異なる光子エネルギー（例：100 MeV 対 120 GeV）におけるパルスピーク位置の時間遅れを測定することで、エネルギー依存性の伝搬効果を検出する。
• 標準的なLIVの仮定を適用する：線形項では $ c(E) = c \left(1 + \frac{E}{E_{\rm LIV}} \right) $、2次項では $ c(E) = c \left(1 + \frac{3}{2} \frac{E^2}{E_{\rm LIV}^2} \right) $。
• カブス・ピルサールまでの距離（2 kpc）と、高エネルギーと低エネルギーのピーク間の時間差の上限100 μsを用いて、$ E_{\rm LIV} $ の上限を導出する。
• VERITASデータに基づき、線形項に対して $ E_{\rm LIV} > 3 \times 10^{17} \, \text{GeV} $、2次項に対して $ E_{\rm LIV} > 7 \times 10^9 \, \text{GeV} $ を推定する。
• CTA が10倍の感度を持つことを見据え、より深いVERITAS観測と組み合わせて感度向上を予測する。
• より高い周期周波数を持つミリ秒ピルサールや、より遠方のピルサールを、将来的なLIV感度向上のためのターゲットとして検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ピルサールからのパルス状VHEガンマ線放射は、GRB やフレア銀河核（AGN）といった一時的源と比較して、ローレンツ不変性破れ（LIV）の制約において競争力を持つ可能性があるか？
• RQ2 VERITASが100 GeV以上でカブス・ピルサールを検出したことで、より高い感度のLIVテストがどのように可能になるか？
• RQ3 将来のCTA観測によって、LIV感度はどの程度向上するか？また、プランクスケールのLIV効果を探索可能か？
• RQ4 ピルサールの安定的・周期的な性質は、LIV などの伝搬に起因する遅れと、内部的源効果を分離するのに役立つか？
• RQ5 100 GeV以上で、より速い（ミリ秒）またはより遠方のピルサールを観測した場合、LIV制約にどの程度の向上が期待されるか？

主な発見

• VERITASが100 GeV以上でカブス・ピルサールからのパルス状ガンマ線放射を検出したことで、現在の最高の制約と同等の感度でLIVテストが可能になる。
• 100 MeV と 120 GeV のパルスピーク間の時間差に95%信頼水準で100 μsの上限を適用したところ、線形LIV項に対して $ E_{\rm LIV} > 3 \times 10^{17} \, \text{GeV} $ を導出する。
• 2次LIV項については、$ E_{\rm LIV} > 7 \times 10^9 \, \text{GeV} $ の制約が得られ、これはAGNフレアから得られた最高の制約より1桁小さい。
• 線形項の制約は、MAGICが観測したMrk 501フレアからの最高制約と同等であり、H.E.S.S.がPKS 2155-304から得た制約より1桁小さい。
• 将来のチェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）では、ピーク到着時刻の時間分解能が1桁向上し、TeV領域への感度が拡張され、プランクスケールでのLIV探査が可能になると予想される。
• ミリ秒ピルサールを100 GeV以上で検出できれば、その高い回転周波数と優れた時刻精度のおかげで、線形項のLIV制約が10倍、2次項の制約が $ \sqrt{10} $ 倍改善される見込みである。