[論文レビュー] Searching For CPT Violation With WMAP And BOOMERANG

Bo Feng, Mingzhe Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2006

Noncommutative and Quantum Gravity Theories被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、初年度の WMAP および 2003 年の BOOMERANG データを用いて、宇宙背景放射（CMB）におけるローレンツ対称性および CPT 対称性の破れを探索する。有効ラグランジアンにおけるチェルン＝サイモンズ項によって誘発される光子偏光の回転を検討し、非ゼロの回転角に対するやや強い傾向が得られた：Δα = −5.3⁺⁴.¹₋³.⁵°（1σ）および −5.3⁺³.⁹₋⁴.⁰°（2σ）。

ABSTRACT

We search for signatures of Lorentz and $CPT$ violations in the cosmic microwave background(CMB) temperature and polarization anisotropies by using the first year WMAP and the 2003 flight of BOOMERANG(B03) data. We note that if the Lorentz and $CPT$ symmetries are broken by a Chern-Simons term in the effective lagrangian, which couples the dual electromagnetic field strength tensor to an external four-vector, the polarization vectors of propagating CMB photons are rotated. Using the WMAP data alone, one could put an interesting constraint on the size of such a term. Combined with the B03 data, we found that a nonzero rotation angle of the photons is mildly favored: $\\Delta \\alpha= -5.3^{+3.9}_{-4.0}$ $^{+4.1}_{-3.5}$deg (1,2 $\\sigma$).

研究の動機と目的

• 高精度な CMB 温度および偏光データを用いて、宇宙背景放射（CMB）におけるローレンツ対称性および CPT 対称性の破れの可能性を調査すること。
• 有効ラグランジアンにおけるチェルン＝サイモンズ項が外部の四元ベクトルと結合することで、光子偏光の回転を誘発するという仮説を検証すること。
• WMAP および BOOMERANG からの観測的 CMB データを用いて、そのようなローレンツ対称性の破れ項の大きさを制限すること。
• 観測された CMB 異方性が、光子偏光ベクトルの非ゼロ回転角を示す統計的証拠を示しているかどうかを評価すること。

提案手法

• 外部の四元ベクトルと結合するチェルン＝サイモンズ項を有効ラグランジアンに組み込むことで、ローレンツおよび CPT 対称性の破れをモデル化する。
• このような項が、伝搬する CMB 光子の偏光ベクトルの回転を誘発する理論的予測を導出する。
• 初年度の WMAP 温度および偏光異方性データを分析し、回転角を制限する。
• WMAP データと 2003 年の BOOMERANG（B03）飛行データを組み合わせ、感度と統計的有意性を向上させる。
• 尤度解析を用いて、回転角 Δα の最適適合値および信頼区間を計算する。
• ビームおよびノイズ効果をデータに組み込むために、標準的な CMB 統計的手法を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMB データに、ローレンツ対称性および CPT 対称性の破れを示す光子偏光ベクトルの非ゼロ回転角を示す統計的証拠はあるか？
• RQ2 WMAP および BOOMERANG 観測から導かれるローレンツ対称性の破れ項の大きさの上限は何か？
• RQ3 WMAP と BOOMERANG の併合データセットは、WMAP 単独と比較して、光子偏光の回転に対する制限をどのように改善するか？
• RQ4 観測データは、統計的ゆらぎをはるかに超えて非ゼロの回転角を支持しているか？

主な発見

• WMAP データ単体の解析により、ローレンツ対称性の破れを示すチェルン＝サイモンズ項の大きさに対する意味のある制限が得られた。
• WMAP と BOOMERANG（B03）データを併合すると、非ゼロの光子偏光回転角がやや支持される。
• 回転角の最適適合値は Δα = −5.3° であり、1σ の不確実性は +3.9°/−4.0°、2σ の不確実性は +4.1°/−3.5° である。
• 結果は非ゼロ回転のわずかな傾向を示しているが、その有意性は十分高くなく、発見とは言えない。
• 併合データセットにより、WMAP 単体と比較して感度が向上し、回転角推定の不確実性が低下した。
• これらの結果は、光子系におけるローレンツおよび CPT 対称性の破れが存在するとしても、非常に小さく、現在の観測的境界と整合的である可能性を示唆している。