[論文レビュー] Restrictive scenarios from Lorentz Invariance Violation to cosmic rays propagation

H. Martínez-Huerta, Abdel Pérez-Lorenzana|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2016

Noncommutative and Quantum Gravity Theories被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、高エネルギー宇宙線の伝播におけるローレンツ不変性破れ（LIV）を、粒子分散関係の修正によって調査し、ローレンツ対称性破れモデルで観測される真空中のチェレンコフ放射効果を再現することを示している。観測された超高エネルギーガンマ線イベントから、LIVスケールに対する厳密な制約を導出し、LIVが臨界エネルギー閾値を超えると光子生成および崩壊過程が抑制されることを示している。

ABSTRACT

Lorentz Invariance Violation introduced as a generic modification to particle dispersion relations is used to study high energy cosmic ray attenuation processes. It is shown to reproduce the same physical effects for vacuum Cherenkov radiation, as in some particular models with spontaneous breaking of Lorentz symmetry. This approximation is also implemented for the study of photon decay in vacuum, where stringent limits to the violation scale are derived from the direct observation of very high energy cosmic ray photon events on gamma telescopes. Photo production processes by cosmic ray primaries on photon background are also addressed, to show that Lorentz violation may turn off this attenuation process at energies above a well defined secondary threshold.

研究の動機と目的

• 修正された分散関係を用いて、高エネルギー宇宙線伝播におけるローレンツ不変性破れ（LIV）の影響を調査すること。
• LIVが、自発的ローレンツ対称性破れモデルで観測される真空中のチェレンコフ放射効果を再現できるかどうかを検証すること。
• ガンマ望遠鏡による超高エネルギー宇宙線光子の直接観測から、LIVエネルギー スケールを制約すること。
• 宇宙線が宇宙マイクロ波背景と相互作用する際の光子生成過程に、LIVが与える影響を分析すること。
• LIVが、定義されたエネルギー閾値を超えると、減衰過程（光子崩壊や対生成など）を抑制するかどうかを調査すること。

提案手法

• 高エネルギー粒子力学におけるローレンツ不変性破れ（LIV）をモデル化するため、一般化された粒子分散関係の修正を導入する。
• 修正された分散関係を用いて、真空中のチェレンコフ放射および光子崩壊を検討する。
• 超高エネルギー宇宙線光子イベントに関するガンマ線望遠鏡の観測データを用い、LIVスケールの上限を導出する。
• 宇宙マイクロ波背景との宇宙線相互作用を分析し、LIV条件下での光子生成過程に注目する。
• 運動論的制約により、LIVが二次的な閾値エネルギーを超えると光子生成および崩壊過程が抑制されることを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ローレンツ不変性破れは、自発的ローレンツ対称性破れモデルで観測される真空中のチェレンコフ放射効果を再現できるか？
• RQ2 超高エネルギーガンマ線観測から導かれるLIVエネルギー スケールの観測的制約は何か？
• RQ3 LIVは、真空中の光子崩壊による高エネルギー宇宙線の減衰にどのように影響するか？
• RQ4 LIVは、宇宙線一次粒子と宇宙マイクロ波背景との間の光子生成過程をどの程度抑制できるか？
• RQ5 LIVが、ある臨界エネルギー閾値を超えると、二次的粒子生成過程をオフにする可能性はあるか？

主な発見

• 修正された分散関係を用いたローレンツ不変性破れは、自発的ローレンツ対称性破れモデルで観測される真空中のチェレンコフ放射効果を再現する。
• 超高エネルギーガンマ線データにおける真空中のチェレンコフ放射の非観測から、LIVエネルギー スケールに対するきびしい上限が導かれる。
• LIV下での分散関係の修正により、臨界閾値エネルギーを超えると真空中の光子崩壊が抑制される。
• 宇宙線一次粒子と宇宙マイクロ波背景との間の光子生成過程は、明確に定義された二次的閾値エネルギーを超えると著しく減少または停止する。
• 高エネルギー域での減衰過程の抑制は、LIVが特定の高エネルギー宇宙線観測で予想される粒子生成が観測されないことを説明できる可能性を示唆している。