[论文解读] A search for directional violations of the Lorentz invariance through the study of a possible asymmetry of particle lifetimes

A. De Angelis, Michela De Maria+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2010

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 7被引用 1

一句话总结

本研究通过测量K⁰_S介子寿命相对于宇宙微波背景（CMB）静止参考系的方位不对称性，检验洛伦兹不变性。利用DAΦNE上KLOE探测器采集的6230万次K⁰_S → π⁺π⁻衰变数据，实验未发现相对于地球相对于CMB运动方向的平行与反平行寿命存在显著差异，设定95%置信水平上限|A|_CMB < 0.98 × 10⁻³，该值小于太阳系在自然单位下的速度（V/c = 1.23 × 10⁻³），代表目前对粒子寿命各向异性的最严格检验。

ABSTRACT

From the study of a sample of about 62.3 million well reconstructed K0S decays recorded by the KLOE detector at the DAFNE accelerator in Frascati, the lifetimes of K0S mesons parallel and antiparallel to the direction of motion of the Earth with respect to the Cosmic Microwave Background reference frame have been studied. No difference has been found, and a limit on a possible asymmetry of the lifetime with respect to the CMB has been set at 95% C.L.: A < 0.98 x 10-3. This is presently the best experimental limit on such quantity, and it is smaller of the speed, expressed in natural units, of the Solar System with respect to the CMB. The present limit might constrain possible Lorentz-violating anisotropical theories.

研究动机与目标

• 通过探测粒子寿命的各向异性，检验洛伦兹不变性的方向性破坏。
• 研究K⁰_S介子的寿命是否依赖于其相对于优选参考系（如CMB静止参考系）的运动方向。
• 通过利用地球自转和4π探测器接受度，提升对中性K介子衰变中洛伦兹破坏效应的实验灵敏度。
• 约束标准模型的各向异性扩展以及具有优选参考系的理论（如标准模型扩展或RMS理论）。
• 提供一种独立于单向光速测量的时间膨胀各向同性直接检验。

提出的方法

• 在2004–2005年期间，利用DAΦNE上的KLOE探测器收集了6230万次良好重建的K⁰_S → π⁺π⁻衰变数据。
• 将K⁰_S动量从本地KLOE参考系转换至银道坐标系，以确定其相对于CMB静止参考系的方向。
• 选择与地球相对于CMB的速度矢量平行和反平行方向的30°圆锥内事例。
• 通过每条方向（上与下）的本征时间分布拟合，提取寿命测量值τ。
• 计算不对称性Acone = (τ_up − τ_down)/(τ_up + τ_down)，通过对称定义最小化系统误差。
• 利用校准因子A_u ≃ 1.072 × Acone，将基于圆锥的不对称性外推至全方向，以估计沿CMB运动方向的不对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 K⁰_S介子的寿命相对于CMB静止参考系是否存在方向依赖性？
• RQ2 能否在中性K介子衰变中探测到时间膨胀的各向异性，从而表明洛伦兹不变性被破坏？
• RQ3 测量得到的粒子寿命不对称性是否超过太阳系相对于CMB的速度（V/c = 1.23 × 10⁻³）？
• RQ4 该实验在多大程度上能约束如标准模型扩展或RMS理论等洛伦兹破坏理论？
• RQ5 时间膨胀的各向同性是否独立于光速各向同性，如传统主义解释所建议的那样？

主要发现

• 相对于CMB方向测得的K⁰_S介子寿命不对称性为Acone,CMB = (−0.13 ± 0.40) × 10⁻³，与零一致。
• 方向不对称性的95%置信水平上限为|A|_CMB < 0.98 × 10⁻³，代表目前最严格的实验约束。
• 该上限小于太阳系相对于CMB速度的自然单位值（V/c = 1.23 × 10⁻³），表明实验灵敏度已超越运动学阈值。
• 结果相比先前限制提升一个数量级，为粒子物理各向同性检验设立了新基准。
• 在垂直方向的交叉检验及使用绝对银道方向（ℓ, b）abs = (277.6°, −34.5°)的结果一致：Acone,abs = (−0.1 ± 0.3) × 10⁻³，同样与零一致。
• 本研究证明，探测器系统误差在不对称性定义中被有效抵消，验证了测量结果的稳健性。