[논문 리뷰] Lorentz violation, vacuum, cosmic rays, superbradyons and Pamir data

Luis Gonzalez‐Mestres|arXiv (Cornell University)|2010. 09. 09.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 35인용 수 6

한 줄 요약

논문은 초고에너지에서의 로렌츠 대칭 위반(LSV)이 ~10^16 eV 이상의 펌리 우주선 데이터에서 관측된 이례적인 제트 구조를 설명할 수 있을 가능성을 제안한다. 이는 종단 운동량을 변화시키지 않으면서 횡방향 운동량을 억제하는 에너지 손실 메커니즘을 통해 이루어지며, 초브레이돈(가장자리의 초광속 입자)이 이러한 에너지 손실을 매개할 수 있다고 제안한다. 이로 인해 진공 에너지를 흡수하면서 제트가 길어지며, 이는 저에너지에서의 LSV에 대한 제약과도 호환되는 메커니즘을 제공한다.

ABSTRACT

The possibility that Pamir data at very high energy cannot be fully explained by standard physics has recently led to the suggestion that the peculiar jet structure observed above ~ 10E16 eV could be due to a suppression of effective space transverse dimensions. The new pattern considered violates Lorentz symmetry. We point out that, in models with Lorentz symmetry violation, a suppression of available transverse energy for jets while conserving longitudinal momentum can be generated by new forms of energy losses at very high energy without altering space-time structure. An illustrative example can be superbradyon emission, where in all cases the superbradyon energy would be much larger than its momentum times c (speed of light). More generally, such phenomena could be due to the interaction of the high-energy cosmic ray with new vacuum and/or particle structure below the 10E-20 cm scale. Scenarios involving Lorentz symmetry violation but not superbradyons are also briefly considered.

연구 동기 및 목표

• 초고에너지에서 관측된 펌리 우주선 데이터의 이례적인 제트 구조가 ~10^16 eV 이상에서 로렌츠 대칭 위반(LSV)에 의해 설명될 수 있는지 조사한다.
• 플랑크 규모 이하의 LSV가 우주선 상호작용에서 공간-시간 기하학을 변화시키지 않으면서도 효과적으로 횡방향 에너지를 억제할 수 있는가를 탐구한다.
• 종단 운동량은 유지하면서 횡운동량을 감소시키는 메커니즘으로서 초브레이돈의 타당성을 평가한다.
• 10^-20 cm 이하 척도에서의 진공 구조가 초고에너지 우주선 충돌에서 새로운 에너지 손실 경로를 매개할 수 있는가를 검토한다.
• 잠재적인 고에너지 LSV 효과가 기존의 저에너지 실험적 제약에 대한 로렌츠 위반에 대해 어떻게 조화를 이룰 수 있는지 분석한다.

제안 방법

• 고에너지에서의 LSV 효과를 모델링하기 위해 진공 정지 프레임(VRF)에서 이차형 변형 상대론적 운동학(QDRK)을 사용한다.
• 초브레이돈이 고에너지로 생성되지만 운동량이 극히 미미한 운동역학 모델을 적용하며, 이는 진공에서 에너지를 흡수함으로써 E >> pc 조건을 만족한다.
• 초고에너지 우주선-대기 충돌에서 에너지-운동량 보존 법칙을 분석하며, 진공이 에너지를 흡수하지만 상당한 운동량은 흡수하지 않는다고 가정한다.
• 저에너지 물리학과 플랑크 규모 사이의 중간 척도에서의 임계 조건 효과를 고려하여 고에너지 LSV와 저에너지 제약을 조화시키는 방법을 모색한다.
• 진공 자극이 일반 입자 방출을 유도하며 횡운동량이 억제되는 비-초브레이돈 LSV 시나리오를 평가한다.
• 초브레이돈의 질량, 운동량, 운동 에너지 추정치(예: 기브스 규모 초브레이돈의 경우 약 ~10^-3 eV)를 사용하여 검출 가능성과 기존 제약과의 일관성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 로렌츠 대칭 위반은 ~10^16 eV 이상에서 관측된 펌리 우주선 데이터의 길어진 제트 구조를 설명할 수 있는가?
• RQ2 초고에너지 우주선 충돌에서의 에너지 손실 메커니즘이 종단 운동량 보존 법칙을 위반하지 않으면서도 횡운동량을 억제할 수 있는가?
• RQ3 초브레이돈이 타겟에서 진공으로 에너지를 전달하여 횡운동량 억제를 효과적으로 유도할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 중간 에너지 척도에서의 LSV 임계 효과는 강력한 고에너지 LSV와 약한 저에너지 실험적 제약 사이의 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ5 10^-20 cm 이하 척도에서의 진공 구조는 초고에너지 우주선 상호작용과 제트 형태에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 로렌츠 대칭 위반은 공간-시간 기하학을 변화시키지 않으면서도 고에너지 우주선 제트에서 횡방향 에너지의 효과적 억제를 유도할 수 있다.
• 초브레이돈 방출은 에너지를 타겟에서 최소한의 운동량 이전 없이 흡수함으로써 길어진 제트를 유도하는 메커니즘을 제공한다.
• 에너지 약 ~10^-3 eV, 운동량 약 ~10^-3 eV/c인 초브레이돈은 운동 에너지 약 ~10^-3 eV를 가지며, 이는 매우 약한 상호작용을 하여 검출이 매우 어려운 특성을 가진다.
• 에너지 약 ~1 TeV, 속도 약 ~10^6c인 초브레이돈의 경우, 정지 에너지는 약 ~10^24 eV에 이르며, 이는 v_s > c 조건을 만족할 경우 검출 가능한 체렌코프-유사 방출을 유도할 수 있다.
• 저에너지 LSV 제약과의 호환성은 저에너지 물리학과 플랑크 규모 사이의 중간 에너지 척도에서의 임계 효과 덕분에 모델이 허용된다.
• 10^-20 cm 이하 척도에서의 진공 역학은 에너지 손실을 위한 저축소로 작용할 수 있으며, 이는 차원 감소나 공간-시간 수정 없이도 제트의 길어짐을 설명할 수 있다.