[論文レビュー] Test of Lorentz Invarience from Compton Scattering

P. Mohanmurthy, D. Dutta+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ジャクソン・ラボのコンプトン偏光計を用いて、恒星時変動による光子屈折率の変化を測定することで、エネルギーおよび方向に依存する真空中分散をテストし、ローレンツ不変性を検証する手法を提案する。この手法により、最小限の標準模型拡張（MSME）パラメータに対して $ \sqrt{\kappa_X^2 + \kappa_Y^2} < 4.6 \times 10^{-10}$ という新たな限界が得られ、$n = 1 + (2.44 \pm 6.82) \times 10^{-9}$ が報告され、単位から顕著なずれがないことが確認された。

ABSTRACT

In the recent times, test of Lorentz Invariance has been used as a means to probe theories of physics beyond the standard model. We describe a simple way of utilizing the polarimeters, which are a critical beam instrument at precision and intensity frontier nuclear physics labs such as the erstwhile Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) and Jefferson Lab (JLab), to constrain the dependence of vacuum dispersion with the energy of the photons and its direction of propagation at unprecedented level of precision. We obtain a limit of minimal Standard Model extension (MSME) parameters: $\sqrt{κ_X^2 + κ_Y^2} &lt; 4.6 imes 10^{-10}$ and $\sqrt{\left( 2c_{TX} - ( ildeκ_{0^+}^{YZ} ight)^2 + \left( 2c_{TY} - ( ildeκ_{0^+}^{ZX} ight)^2} &lt; 4.6 imes 10^{-10}$. We also obtain a leading constraint for the refractive index of free space $n = 1 + (2.44 imes10^{-9} \pm 6.82 imes 10^{-9})$.

研究の動機と目的

• 核物理学施設におけるコンプトン偏光計を用いて、高精度でのローレンツ不変性の検証を目的とする。
• 恒星時変動による光子屈折率の変化を用いて、エネルギーおよび方向に依存する真空中分散を制約することを目的とする。
• ローレンツ破れに関連する最小限の標準模型拡張（MSME）パラメータの新たな上限を導出することを目的とする。
• 長期にわたるコンプトン偏光計データを用いて、真空中屈折率およびローレンツ破れ係数に関する既存の実験的限界を改善することを目的とする。
• 一般相対性理論の寄与が、小さな非ゼロの屈折率値に寄与する可能性があるかどうかを検討することを目的とする。

提案手法

• ジャクソン・ラボホール-Cのコンプトン偏光計を用い、コンプトン散乱による電子ビームの偏光を継続的にモニタリングする。
• 散乱断面積および縦方向非対称性を、屈折率のずれ $n \approx 1 + \delta$ を考慮した修正された光子エネルギー正規化 $\rho \rightarrow \rho(n)$ でモデル化する。
• 50個の検出器ストリップにわたる非対称性データに最小二乗法を適用し、真空中分散の代理として $2\gamma_0^2(n-1)$ を抽出する。
• 運動量保存則に従う条件下で、屈折率のずれを測定可能な非対称性のずれに結びつけるための運動論的関数 $f(x,\theta)$ を用いる。
• 6か月間のデータを用いて屈折率の変動を解析し、地球の自転に起因する恒星時モードレーションを検出する。
• 恒星時依存性の $n-1$ を周波数 $\Omega$ の正弦関数にフィットさせ、$\vec{\kappa}$ 成分の制約を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンプトン偏光計を用いて、高精度でエネルギーおよび方向に依存する真空中分散を検出できるか？
• RQ2 ローレンツ破れに関連するMSMEパラメータ $\kappa_X$, $\kappa_Y$ の上限は何か？
• RQ3 真空中の屈折率は1からずれているか？ もしそうなら、そのずれは一般相対性理論などの既知の物理法則で説明可能か？
• RQ4 コンプトン散乱非対称性の恒星時変動が、光子系におけるローレンツ破れ効果を明らかにできるか？
• RQ5 測定された $n-1$ の値は、理論的予想や既存の実験的限界とどのように一致するか？

主な発見

• 真空中の平均屈折率は $n = 1 + (2.44 \times 10^{-9} \pm 6.82 \times 10^{-9})$ と測定され、誤差範囲内で単位と一致している。
• MSMEパラメータに対して、先行する制約が得られた：$\sqrt{\kappa_X^2 + \kappa_Y^2} < 4.6 \times 10^{-10}$（95%信頼水準）。
• 同じ限界は、$\sqrt{(2c_{TX} - \tilde{\kappa}_{0^+}^{YZ})^2 + (2c_{TY} - \tilde{\kappa}_{0^+}^{ZX})^2} < 4.6 \times 10^{-10}$ を意味する。
• 恒星時変動する $n-1$ は、振幅 $< 0.4 \times 10^{-9}$ の正弦関数でよくフィットされ、顕著なローレンツ破れは確認されなかった。
• カイ二乗統計量は $\chi^2 = 1.24$（自由度22）であり、正弦関数モデルとの整合性が良好であることが示された。
• わずかな非ゼロの $n-1$ の値は、一般相対性理論的効果と整合的であり、ローレンツ破れを示唆するものではない。