[논문 리뷰] Future prospects of testing Lorentz invariance with UHECRs

Denise Boncioli, Armando di Matteo외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 03.

Noncommutative and Quantum Gravity Theories참고 문헌 22인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초고에너지 우주선(UHECRs)이 대기 중 쇼워 발달을 통해 레이저 대칭성 위반(LIV)을 시험할 잠재력을 조사한다. 전파 효과가 아닌, 대기 중 쇼워 발달을 통한 것이다. LIV로 인한 중성 π-보존의 억제는 쇼워 최대값(X_max)을 변화시키고, 뮤온 수율을 증가시켜, 소스 에너지 한계 시나리오로 인해 전파 기반의 제약 조건이 무력화된 경우에도 LIV 매개변수를 제약할 수 있는 새로운 길을 제공한다.

ABSTRACT

In the last years a general consensus has emerged on the use of ultra-high energy cosmic rays (UHECR) data as a powerful probe of the validity of special relativity. This applies in particular to the propagation of cosmic rays from their sources to Earth, responsible for energy suppressions due to pion photoproduction by UHE protons (the Greisen-Zatsepin Kuzmin limit) and photo disintegration of UHE nuclei (the Gerasimova-Rozental limit). A suppression in the flux of UHECRs at energies above 40 EeV -- as expected from both these interactions -- has been established experimentally beyond any doubt by current experiments. However, such an observation is still not conclusive on the origin of the suppression. In particular, data from the Pierre Auger Observatory can be interpreted in a scenario in which the suppression is due to the maximum acceleration energy at the sources rather than to interactions in the background radiation. In this scenario, UHECR data can no longer yield bounds on Lorentz invariance violations which increase the thresholds for interactions of nuclei on background photons, in particular through modification of the dispersion relations. Here we argue in turn that the study of UHECRs still represents an opportunity to test Lorentz invariance, by discussing the possibility of deriving limits on violation parameters from UHECR phenomena other than propagation. In particular we study the modifications of the shower development in the atmosphere due to the possible inhibition of the decay of unstable particles, especially neutral pions.

연구 동기 및 목표

• 소스 에너지 한계 시나리오로 인해 전파 기반의 제약 조건이 무력화된 상황에서 UHECR이 레이저 대칭성 위반(LIV)을 시험할 잠재력을 재평가하는 것.
• 특히 중성 π-보존이 억제되는 경우, LIV 효과가 대기 중 쇼워 발달에 미치는 영향—즉, LIV 매개변수에 대한 대체 제약 조건을 제공할 수 있는지 조사하는 것.
• LIV로 수정된 쇼워 발달이 X_max와 뮤온 다량성과 같은 관측 가능 물리량에 미치는 영향을 평가하는 것.
• GZK/GR 억제가 상호작용 임계값이 아닌 소스 절단에 기인할 경우조차도 현재 및 향후 UHECR 데이터가 여전히 LIV를 제약할 수 있는지 판단하는 것.
• 특히 강한 LIV 시나리오에서, 대기 중 LIV 효과가 전파 기반 LIV 테스트와 보완적인 탐사 수단으로서의 가능성 여부를 탐색하는 것.

제안 방법

• 표준 모델 확장(SME)에서 수정된 분산 관계를 사용한 효과적 장 이론 접근법을 사용하며, 에너지 의존성 LIV를 $ f_i / M_P^n $ 비례 항을 통해 다루며, $ n=1 $ 또는 $ 2 $로 설정한다.
• 에너지가 $ E_i \geq (M_P m_i^2 / |f_i|)^{1/3} $일 때 중성 π-보존이 억제되는 것을 모델링하며, 최대 효과를 얻기 위해 $ -f_i = 1 $로 가정한다.
• LIV로 인한 π-보존 억제와 상호작용 빈도 증가를 반영한 수정된 EPOS 상호작용 모델을 사용해 UHECR 대기 쇼워를 시뮬레이션한다.
• 주입 에너지 및 조성 데이터를 바탕으로 LIV 및 레이저 대칭성(비의존성, LI) 시나리오에서 예측된 X_max와 뮤온 다량성을 비교한다.
• Pierre Auger 관측소 데이터에 대한 모델 적합도를 평가하며, LIV 시나리오가 관측된 스펙트럼과 조성과 얼마나 호환되는지 평가하기 위해 $ \chi^2 $를 계산한다.
• 최저 순서 LIV 수정 항만 고려하며, 모든 입자 종류에서 동일한 행동을 가진다고 가정하고, 고차항 및 CPT 위반 효과는 무시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소스 에너지 한계 시나리오로 인해 전파 기반 제약 조건이 무력화된 상황에서, UHECR 대기 쇼워 발달이 레이저 대칭성 위반에 대한 타당한 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ2 LIV로 인한 중성 π-보존 억제는 UHECR 대기 쇼워에서 쇼워 최대값(X_max)과 뮤온 수율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 LIV가 전파가 아닌 쇼워 발달에만 영향을 미칠 경우, 현재 UHECR 데이터가 LIV 매개변수에 대해 얼마나 민감한가?
• RQ4 최대 소스 강성 $ R_{\text{max}} \approx 10^{19.2} \, \text{V} $ 및 $ \gamma = 2.65 $ 조건에서 LIV로 수정된 쇼워 발달이 $ \chi^2 \approx 1.6 $로 감소된 채로 수용 가능한가?
• RQ5 대기 중 입자 붕괴에 대한 LIV 효과의 크기는 간행성 외부 전파에 비해 어느 정도이며, 여전히 측정 가능한 제약 조건을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 고에너지에서 중성 π-보존이 억제되는 LIV 효과는 전자기 쇼워 발달 속도가 빨라져 쇼워 최대값(X_max)이 더 높은 고도로 이동시킨다.
• LIV 시나리오에서는 레이저 대칭성(비의존성, LI) 경우에 비해 지표면에서 평균 뮤온 수가 증가한다. 이는 π-보존 감소와 상호작용 빈도 증가로 인한 것이다.
• 강한 LIV($ n=1 $, $ f_i \approx O(1) $)의 경우, $ R_{\text{max}} \approx 10^{19.2} \, \text{V} $ 및 $ \gamma = 2.65 $ 조건에서 Auger 데이터에 적합할 때 $ \chi^2 \approx 1.6 $로 감소하지만, 표준 LI 모델에서는 $ \chi^2 > 4 $로 나타난다.
• LIV 시나리오에서는 UHECR의 조성이 경량 핵종(H, He)으로 지배되며, 이는 데이터를 설명하기 위해 무거운 주입 입자가 필요 없음을 의미한다.
• LIV로 인한 쇼워 발달 효과는 전파에 비해 약하지만, 향상된 스펙트럼 및 조성 데이터로는 여전히 측정 가능한 가능성이 있다.
• 전파 기반 LIV 매개변수 제약 조건이 무력화된 경우(예: $ f_i < -2.5 \times 10^{-14} $), 대기 중 쇼워 효과는 여전히 LIV를 제약할 수 있는 타당한 길을 제공하며, 특히 강한 위반의 경우에 유용하다.