[論文レビュー] Tests of Lorentz Invariance Violation with Gamma Rays to probe Quantum Gravity

A. N. Otte, M. Errando+9 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2013

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 21被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、Fermi-LAT、VERITAS、HAWC、CTAなどの機器からの高エネルギーガンマ線観測を用いて、量子重力におけるローレンツ不変性破れ（LIV）を検証する。ガンマ線バースト（GRB）、活動銀河核（AGN）、パルサーからのエネルギー依存性のある時間遅れを分析することで、特に2次項に対してきびしい制約を課し、6×10¹¹ GeVのスケールまで到達する。また、将来の観測施設（特にCTA）により、プランクスケールを直接探査できる可能性がある。

ABSTRACT

We discuss the prospects of doing tests of Lorentz invariance with gamma-rays observed with present and future ground based gamma-ray observatories.

研究の動機と目的

• プランクスケールに近いエネルギー領域における量子重力効果の兆候としてのローレンツ不変性破れ（LIV）を検証すること。
• 高エネルギーガンマ線観測を用いて、真空中の位相速度のエネルギー依存性分散およびしきい値効果を制約すること。
• CTA や HAWC といった高感度機器を活用して、従来のLIV制約を改善すること。
• 複数の源と距離を用いた分析により、源固有の効果と伝搬に起因するエネルギー遅れを区別すること。
• 特にCTAを含む次世代機器からの将来の制約を予測し、2次LIV項のプランクスケール直接探査を目指すこと。

提案手法

• ガンマ線バースト（GRB）、活動銀河核（AGN）、パルサーなどの可変源からの高エネルギーガンマ線放射における時間遅れを分析し、全エネルギー範囲で同時に放射されたと仮定する。
• 真空中の光速度が光子エネルギーに依存するエネルギー依存性分散モデルを用い、エネルギーの線形項および2次項でパrameter化する。
• Fermi-LAT、H.E.S.S.、MAGIC、VERITAS、HAWCの観測結果を用いてLIV係数を制約し、特に2次項に注目する。
• LIVが銀河間媒体内を通過するガンマ線伝搬に与える影響をモデル化し、外部銀河背景光に起因する対生成しきい値および光学活性の変化を含める。
• CTAおよびHAWCの将来の検出能力をシミュレーションし、より低いエネルギー閾値、高い稼働率、速い反応時間に基づく感度向上を推定する。
• 赤方偏移が異なる複数の源クラス（GRB、AGN、パルサー）のデータを統合し、源固有の変動と伝搬に起因するエネルギー遅れを区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギーガンマ線データを用いた真空分散関係におけるローレンツ不変性破れ（LIV）の観測的制約の強さはいかほどか？
• RQ2 ガンマ線バースト（GRB）、活動銀河核（AGN）、パルサーからのエネルギー依存性時間遅れは、2次LIV項と比較して線形項をどの程度制約するか？
• RQ3 Cherenkov Telescope Array（CTA）やHAWCといった将来の機器が、LIVの制約をどの程度向上させ、プランクスケールを直接探査できるか？
• RQ4 複数の源クラスおよび赤方偏移における観測時間遅れの違いは、源固有効果とLIVに起因する伝搬効果を区別するのにどの程度有効か？
• RQ5 LIVがガンマ線-ガンマ線対生成のしきい値エネルギーや電子-陽電子系における真空中チェレノフク放射に与える影響は何か？

主な発見

• H.E.S.S.およびMAGICによる2つのAGNフレア観測から、LIV修正分散関係の2次項は6×10¹¹ GeVのスケールまで制約され、Fermi-LATによるGRB観測の結果を上回る。
• VERITASによるクレブ・パルサーの>100 GeV観測から、線形LIV項は3×10¹⁷ GeVまで制約され、パルサーを用いたLIV検証のベンチマークを確立した。
• クレブ・ネブロラからの50 TeVガンマ線の観測は、電子の速度が真空中の光速度から2×10⁻¹⁶未満にずれていることを示唆し、亜光速LIV状況を制約した。
• Mkn 501からの20 TeVガンマ線の観測は、電子速度が光速の1+1.3×10⁻¹⁵倍未満であることを制約し、真空中チェレノフク放射の発生確率を低下させた。
• 将来のCTAは、現在の限界を50倍以上改善し、2次LIV項の制約を高め、プランクスケールを直接探査できる可能性がある。
• HAWCおよびCTAは、毎年1〜1.5個のGRBを超高エネルギー帯域で検出できると予想され、プロンプト放射および後光の時間分解解析によるLIVの新たな検証が可能になる。