[논문 리뷰] Exploration of possible signals beyond special relativity using high-energy astroparticle physics

M. A. Reyes|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 07.

Astrophysics and Cosmic PhenomenaPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 박사학위논문은 고에너지 천체입자 데이터를 활용하여 특수상대성 이론을 초월한 물리학의 징후를 조사하며, 주로 로렌츠 불변 위반(Lorentz Invariance Violation, LIV)과 이중특수상대성 이론(Doubly Special Relativity, DSR)을 중심으로 다룬다. 고에너지 중성자 및 감마선의 전파 모델을 활용하여 스펙트럼 절단과 시간 지연을 예측하며, 초광속 중성자가 있는 LIV 모델은 복사율 절단과 그 이전에 나타나는 과잉을 유도하는 반면, DSR 모델은 감마선 투과도를 변화시키고 에너지에 따라 달라지는 시간 지연을 유도하여 지구 기반 및 우주 기반 관측소에서 검증 가능한 신호를 제공한다.

ABSTRACT

To unify the standard model of particle physics and general relativity, we may require a quantum description of gravity, which will change our notion of spacetime at very high energies. In this dissertation we explore possible traces of new physics beyond special relativity, using the propagation of high energy astroparticles. For this purpose, the two ways of going beyond Lorentz invariance are presented, a breaking of the Lorentz invariance (Lorentz invariance violation or LIV or its deformation (doubly special relativity or DSR), emphasizing their conceptual and phenomenological differences. For the study of LIV, the work focuses on the prediction of modifications in the expected neutrino flux on Earth, both from astrophysical and cosmogenic origin (from the interaction of cosmic rays with the background radiation during their propagation). For the study of DSR we focus instead on the search for anomalies in the time of flight of massless particles (time delays) and on the study of the expected flux of gamma rays on Earth. The results obtained show the possibility of using astroparticle observations as a window to quantum gravity phenomenology, at energies attainable at present and/or in the very near future.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 천체입자 관측을 통해 특수상대성 이론을 초월한 물리학의 실험적으로 검증 가능한 징후를 식별하기 위해.
• 초광속 중성자를 포함한 로렌츠 불변 위반(LIV)이 지구에서 중성자 복사율과 스펙트럼 형태에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 이중특수상대성 이론(DSR)이 감마선 전파에 미치는 영향, 특히 투과도와 비행 시간 차이에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 우주에서 생성된 중성자 피크와 LIV에 의해 유도된 절단 간의 상호작용을 은하간 배경광선 상호작용의 맥락에서 탐색하기 위해.
• DSR 프레임워크에서 유도된 비가환 시공간 구조 하에서 시간 지연 예측의 일관성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 고에너지 입자 상호작용에서의 공선 근사법을 사용하여 붕괴 너비와 반응단면적 계산을 단순화한다.
• 초광속 중성자를 포함한 특정 LIV 모델을 적용하며, 이를 불안정한 입자로 간주하여 e⁺e⁻ 및 νν̄ 쌍으로 붕괴되도록 처리한다.
• 우주선이 간섭하는 간섭계배경복사(CMB)와의 상호작용을 통해 중성자 전파를 모델링하며, LIV에 의해 유도된 스펙트럼 절단을 포함한다.
• DCL1 모델을 사용하여 DSR 효과가 감마선 전파에 미치는 영향을 분석하고, 에너지에 따라 변화하는 투과도를 계산한다.
• 에너지-운동량 공간에서의 포안유브라켓을 사용하여 고에너지 및 저에너지 광자 간의 시간 지연 공식을 유도하고, 비가환 시공간 기반 형식을 적용한다.
• 표준(보통) (x,t)와 비표준(비보통) (X,T) 시공간 좌표 간의 좌표 변환을 수행하여 시간 지연 예측의 불변성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초광속 중성자를 포함한 로렌츠 불변 위반(LIV)이 고에너지 중성자 스펙트럼에서 검출 가능한 스펙트럼 절단과 복사율 과잉을 유도할 수 있는가?
• RQ2 LIV는 CMB 상호작용으로 인한 우주에서 생성된 중성자 피크의 가시성에 어떻게 영향을 미치며, 절단 이전의 누적 현상으로 인해 강화될 수 있는가?
• RQ3 이중특수상대성 이론(DSR)이 고에너지 감마선에 대한 우주의 투과도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 DSR 모델은 고에너지 및 저에너지 광자 간에 측정 가능한 시간 지연을 예측하는가? 이러한 예측은 비가환 시공간 구조 하에서도 견고한가?
• RQ5 다른 에너지의 광자 간 시간 지연이 표준(보통) 시공간 좌표에서 비표준(비보통) 시공간 좌표로의 좌표 변환 하에서도 불변하는가?

주요 결과

• 초광속 중성자를 포함한 LIV 모델은 지구에서 중성자 복사율에 스펙트럼 절단을 유도하며, 붕괴에 의해 발생하는 복사로 인해 절단 이전에 작은 복사율 과잉이 나타난다.
• LIV에 의해 유도된 절단은 CMB 상호작용으로 인한 우주에서 생성된 중성자 피크를 억제하며, 절단 이전의 누적 현상으로 강화되지 않는 한 검출이 어려울 수 있다.
• 절단 이전 복사율의 누적 현상은 간섭계배경광선과의 상호작용으로 생성된 피크와 겹쳐질 수 있으며, 이로 인해 이 성분의 검출 가능성은 증가한다.
• DCL1 DSR 모델 하에서 고에너지 감마선에 대한 우주의 투과도는 고에너지 영역에서 渐진적으로 감소하며, 그 이전에 일시적인 증가가 나타난다.
• DSR 모델에서 고에너지 및 저에너지 광자 간의 시간 지연은 에너지에 따라 달라지며, 상대적 국소성 프레임워크와 일관되며, 비가환 시공간 좌표 변환 하에서도 예측이 불변하다.
• 비가환 시공간 좌표 (X,T)에서 유도된 시간 지연은 표준 (x,t) 결과와 정확히 일치하며, 다양한 시공간 기술 방식 간의 시간 지연 예측의 견고성을 확인한다.