[論文レビュー] Superluminal Particles and High-Energy Cosmic Rays

Luis Gonzalez‐Mestres|ArXiv.org|May 26, 1997

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、光速（c）よりもはるかに大きな臨界速度を持つ新しい物質領域としての『スーパー・ブレディオン』と呼ばれる超光速粒子が存在しうると提案している。この粒子は、高エネルギー宇宙線やダークマターの説明に寄与する可能性がある。これらの粒子は、光速を超えて移動する際に真空中でチェレンコフ放射を発するため、超高エネルギー宇宙線の生成メカニズムとなり、宇宙線実験における検証可能なシグナルを提供する。

ABSTRACT

Lorentz symmetry has been tested at low energy with great accuracy, but its extrapolation to very high-energy phenomena is much less well established. We expect a possible breaking of Lorentz symmetry to be a very high energy and very short distance phenomenon, compatible with existing data. If textbook special relativity is only an approximate property of the equations describing a sector of matter above some critical distance scale, superluminal sectors of matter may exist related to new degrees of freedom not yet discovered experimentally. The new superluminal particles ("superbradyons") would have positive mass and energy, and behave kinematically like "ordinary" particles (those with critical speed in vacuum equal to c , the speed of light) apart from the difference in critical speed (we expect c_i >> c , where c_i is the critical speed of a superluminal sector of matter). At speed v > c , they are expected to release "Cherenkov" radiation ("ordinary" particles) in vacuum. If superluminal particles exist, they could provide most of the cosmic (dark) matter and produce very high-energy cosmic rays compatible with unexplained discoveries reported in the literature. We discuss: a) the possible relevance of superluminal matter to the composition, sources and spectra of high-energy cosmic rays; b) signatures and experiments allowing to possibly explore such effects.

研究の動機と目的

• 非常に高エネルギーにおいてローレンツ対称性が破れる可能性を調査し、それによって新たな超光速物質領域が生じることを目的とする。
• 超光速粒子が観測された超高エネルギー宇宙線のフラックスおよびスペクトルを説明できるかを検討すること。
• 宇宙線の組成および起源、特に未解明の高エネルギー事象を説明するうえで、超光速物質が果たす役割を検討すること。
• 超光速粒子を検出可能な実験的シグナル、例えば真空中のチェレンコフ放射を特定すること。
• 超光速物質が既存の低エネルギーにおけるローレンツ対称性のテストおよび宇宙線データとどの程度整合するかを評価すること。

提案手法

• 特殊相対性理論が臨界エネルギースケール未満では有効で近似的に成り立つ理論的枠組みを提案し、その上では超光速セクターが現れる。
• 質量を有する粒子としてのスーパー・ブレディオンを導入し、その臨界速度 c_i が c よりも著しく大きいことを仮定する。通常の粒子と同様に運動論的に振る舞うが、真空中の速度上限が異なる。
• 真空中のチェレンコフ放射の概念を適用する：超光速粒子（v > c）は、真空中で「通常の」粒子を放出する。これは媒質中でのチェレンコフ放射に類似している。
• 宇宙線の伝播を想定した文脈において、超光速粒子の崩壊および放射過程の運動論的・エネルギー的制約を分析する。
• 既存の宇宙線データおよび観測されたエネルギースペクトルを用いて、超光速セクターのパラメータを制限する。
• 高エネルギー光子や粒子の放射が超光速崩壊から生じる可能性を評価し、実験的実現可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 c_i >> c を有する超光速粒子（スーパー・ブレディオン）が、素粒子物理学の標準模型の有効な拡張として成立可能であるか？
• RQ2 超光速粒子は、天体物理学的データで観測された超高エネルギー宇宙線の生成にどのように寄与するか？
• RQ3 宇宙線および高エネルギー天体物理学実験において、特に真空中のチェレンコフ放射のような超光速粒子の検出可能なシグナルは何か？
• RQ4 超光速物質の存在が、低エネルギーにおけるローレンツ対称性のテストおよび現在の宇宙線観測とどの程度整合するか？
• RQ5 超光速粒子が宇宙におけるダークマターの顕著な割合を占め得るか？

主な発見

• c_i >> c を有する超光速粒子（スーパー・ブレディオン）は、超高エネルギー宇宙線の起源を説明する可能性があると提案されている。
• これらの粒子は、光速を超えて移動する際に真空中のチェレンコフ放射（通常の粒子の形で）を発するため、検出可能なエネルギー損失メカニズムを提供する。
• このモデルは、超光速物質が宇宙（ダーク）マターの主要成分である可能性を示唆している。
• これらの粒子の存在は、現在の低エネルギーにおけるローレンツ対称性のテストと整合しており、その効果は非常に高エネルギー領域でのみ顕著になる。
• 超光速セクターのパrameterが特定の条件下で選ばれれば、観測された宇宙線スペクトルおよびフラックスと理論的に整合可能である。
• 本稿では、将来的な高エネルギー天体物理学観測において、超光速粒子の存在を検証するための鍵となる実験的シグナルとして、真空中のチェレンコフ放射を特定している。