[论文解读] Exploring Lorentz Invariance Violation from Ultra-high-energy Gamma Rays Observed by LHAASO

Cao, Zhen, Aharonian, F.+272 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

该论文利用LHAASO-KM2A探测器获取的超高能伽马射线数据，通过光子衰变（γ → e⁺e⁻）和光子分裂（γ → 3γ）过程，对洛伦兹不变性破坏（LIV）设定了迄今为止最严格的实验约束。通过对两个源J0534+2202和J2032+4102的拍电子伏特（PeV）能量伽马射线进行分析，该研究在95%置信水平下设定了LIV能量尺度的下限，其中一阶LIV超过10⁵ Mₚₗ，二阶LIV超过10⁻³ Mₚₗ，相比以往限制提升了一个多数量级。

ABSTRACT

Recently the LHAASO Collaboration published the detection of 12 ultra-high-energy gamma-ray sources above 100 TeV, with the highest energy photon reaching 1.4 PeV. The first detection of PeV gamma rays from astrophysical sources may provide a very sensitive probe of the effect of the Lorentz invariance violation (LIV), which results in decay of high-energy gamma rays in the superluminal scenario and hence a sharp cutoff of the energy spectrum. Two highest energy sources are studied in this work. No signature of the existence of LIV is found in their energy spectra, and the lower limits on the LIV energy scale are derived. Our results show that the first-order LIV energy scale should be higher than about 10^5 times the Planck scale M_{pl} and that the second-order LIV scale is >10^{-3}M_{pl}. Both limits improve by at least one order of magnitude the previous results.

研究动机与目标

• 利用LHAASO探测到的超高能伽马射线，测试量子引力模型中的洛伦兹不变性破坏（LIV）。
• 通过观测因光子衰变或分裂导致的伽马射线源能谱截断，约束超光速LIV效应的能量尺度。
• 借助LHAASO对拍电子伏特能量光子的高灵敏度，改进以往对LIV的实验限制。
• 量化光谱建模和探测器响应中的系统不确定性，以确保LIV能量尺度约束的稳健性。

提出的方法

• 该研究分析了LHAASO-KM2A探测到的12个源的高显著性超高能伽马射线事例，重点关注J0534+2202和J2032+4102两个源，其记录到的最高能量达1.42 PeV。
• 使用蒙特卡罗模拟生成伪实验，并应用CLs方法推导出95%置信水平下谱截断能量E_cut的下限。
• 基于光子衰变（γ → e⁺e⁻）和分裂（γ → 3γ）的理论模型，从E_cut的限制中推导出一阶和二阶超光速LIV的能量尺度。
• 评估了探测器布局变化、大气建模以及光谱模型假设（对数抛物线型、幂律型、断点幂律型）带来的系统不确定性，并将其合并，估算出E_cut和推导出的LIV能量尺度的总系统误差为5.2%。
• 将结果与HEGRA、Tibet、HAWC和Fermi-LAT的结果进行比较，以评估LHAASO发现的灵敏度和显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用超高能伽马射线，目前对一阶和二阶超光速洛伦兹不变性破坏（LIV）的最严格实验限制是什么？
• RQ2 LHAASO源的拍电子伏特能量伽马射线谱在多大程度上约束了因LIV导致的光子衰变和分裂过程的能量尺度？
• RQ3 探测器响应和光谱建模中的系统不确定性在多大程度上影响了推导出的LIV能量尺度限制？
• RQ4 LHAASO的限制与以往实验（如HAWC、HEGRA和Fermi-LAT）相比如何？
• RQ5 观测到的超高能伽马射线源的谱截断是否可由LIV诱导的光子衰变或分裂解释？这对量子引力模型有何启示？

主要发现

• LHAASO J0534+2202的95%置信水平下谱截断能量E_cut的下限为0.75⁺⁰.⁰⁴³₋₀.⁰⁴³ PeV，对应的一阶LIV能量尺度为4.04⁺⁰.⁷³₋₀.⁶⁵ × 10³² eV。
• 对于LHAASO J2032+4102，E_cut的限制为1.14⁺⁰.⁰⁶₋₀.⁰⁶ PeV，推导出的一阶LIV能量尺度为14.2⁺².³²₋².¹⁰ × 10³² eV。
• 对于γ → e⁺e⁻过程，二阶LIV能量尺度在J0534+2202中被约束为超过5.5⁺⁰.⁶⁵₋₀.⁶¹ × 10²³ eV，在J2032+4102中为超过12.7⁺¹.³⁶₋₁.²⁹ × 10²³ eV。
• 对于γ → 3γ分裂过程，二阶LIV能量尺度在J0534+2202中被约束为超过1.04⁺⁰.¹²₋₀.¹¹ × 10²⁵ eV，在J2032+4102中为超过2.21⁺⁰.²²₋₀.²¹ × 10²⁵ eV。
• 推导出的LIV能量尺度相比以往实验限制提升了超过一个数量级，确立了迄今最紧的超光速LIV参数约束。
• 系统不确定性估算为5.2%，其中光谱模型依赖性贡献约5%，探测器响应变化贡献约1.5%至总误差预算。