[논문 리뷰] Prospective constraints on Lorentz violation from UHE photon detection

Г. И. Рубцов, Petr Satunin외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 16.

Noncommutative and Quantum Gravity Theories인용 수 1

한 줄 요약

논문은 초고에너지(UHE) 광자 탐지가 지구 대기 및 자기장과의 억제된 광자 상호작용을 이용해 양자전자역학에서의 로렌츠 위반을 제약할 수 있다고 제안한다. 이러한 광자를 탐지하게 되면 특정 로렌츠 위반 시나리오를 배제할 수 있으며, 기존 한계보다 수개의 주기수 더 강력한 제약을 제공한다. 이 제약은 천체물리적 원천 가정과 무관하다.

ABSTRACT

We point out that violation of Lorentz invariance affects the interaction of high-energy photons with the Earth's atmosphere and magnetic field. In certain parameter region this interaction becomes suppressed and the photons escape observation passing through the atmosphere without producing air showers. We argue that a detection of photon-induced air showers with energies above 10^19 eV, implying the absence of suppression as well as the absence of photon decay, will put tight double-sided limits on Lorentz violation in the sector of quantum electrodynamics. These constraints will be by several orders of magnitude stronger than the existing ones and will be robust against any assumptions about the astrophysical origin of the detected photons.

연구 동기 및 목표

• 로렌츠 위반이 UHE 광자가 지구 대기 및 자기장과 상호작용하는 방식에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 억제된 광자 상호작용이 로렌츠 대칭이 유지되지 않으면 UHE 광자가 탐지되지 않도록 할 수 있음을 확립하는 것.
• 관측된 UHE 광자 대기 샤워를 이용해 양자전자역학에서의 로렌츠 위반에 대해 双측 제약을 유도하는 것.
• 이 제약이 탐지된 광자의 천체물리적 기원에 대한 불확실성에 대해 강인한지 확보하는 것.

제안 방법

• 지구 대기 중에서 광자 전파를 수정하는 양자전자역학에서의 로렌츠 위반 상호작용을 모델링하는 것.
• 그러한 위반이 대기 물질 및 자기장과의 광자 상호작용을 어떻게 억제하는지 분석하는 것.
• UHE 광자가 대기 샤워를 생성하거나 붕괴를 피할 수 있는 조건을 평가하는 것.
• 10^19 eV 이상의 관측된 UHE 광자 탐지를 로렌츠 위반에 대한 null 테스트로 사용하는 것.
• 관측된 사건에서 억제 및 붕괴가 없음을 가정함으로써 로렌츠 위반 매개변수에 대한 경계를 유도하는 것.
• 대기 중 전파 및 자기장 효과를 이용해 광자 부문에서의 로렌츠 위반에 대해 이중측 제약을 설정하기 위해 대기 샤워 탐지를 프로브로 사용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 로렌츠 위반이 UHE 광자의 지구 대기 및 자기장과의 상호작용을 억제하는 조건는 무엇인가?
• RQ2 로렌츠 위반 상호작용은 대기 샤워 생성을 통한 UHE 광자의 탐지 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 관측된 UHE 광자 대기 샤워에서 억제가 없음을 바탕으로 QED에서의 로렌츠 위반에 대해 유도할 수 있는 제약는 무엇인가?
• RQ4 이 제약는 UHE 광자의 천체물리적 기원에 대한 가정에 대해 얼마나 강인한가?
• RQ5 UHE 광자 탐지는 광자 부문에서의 이중측 로렌츠 위반 매개변수 제약에 대해 어떤 민감도를 갖는가?

주요 결과

• 10^19 eV 이상의 UHE 광자 유도 대기 샤워 탐지 결과는 로렌츠 위반으로 인한 억제가 없음을 시사한다.
• 그러한 억제가 없고, 관측된 광자 붕괴도 없음을 종합하면, 양자전자역학에서의 로렌츠 위반에 대해 강력한 이중측 제약가 설정된다.
• 이 제약는 기존 한계보다 수개의 주기수 더 엄격하다.
• 유도된 경계는 탐지된 광자의 천체물리적 기원에 대한 가정과 무관하게 강인하다.
• 이 방법은 대기 중 전파 및 자기장 효과를 이용해 광자 부문에서의 로렌츠 대칭 위반 위반의 직접적 탐지를 가능하게 한다.