[논문 리뷰] Multimessenger Tests of Einstein's Weak Equivalence Principle and Lorentz Invariance with a High-energy Neutrino from a Flaring Blazar

Jun-Jie Wei, Bin‐Bin Zhang외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 17.

Noncommutative and Quantum Gravity Theories참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 290 TeV 뉴트리노(IceCube-170922A)와 활성 블라자르 TXS 0506+056의 활성화 현상 간의 다중메신저 일치를 이용하여 아인슈타인의 약한 등가원리(WEP)와 뉴트리노 전파에서의 로렌츠 불변성 위반(LIV)을 시험한다. 중력 잠재력에 기인한 뉴트리노와 감마선 광자 간의 시간 지연을 분석함으로써, WEP 제약 조건 |γν − γγ| < 8.5 × 10⁻⁶를 도출하고, 양자 중력 에너지 스케일에 대한 새로운 한계를 설정한다: 선형 LIV의 경우 EQG,1 > 3.2 × 10¹⁵ GeV이고, 이차 LIV의 경우 EQG,2 > 4.0 × 10¹⁰ GeV로, 이는 이전 결과보다 5~7개 주기만큼 향상된 것이다.

ABSTRACT

The detection of the high-energy ($\sim290$ TeV) neutrino coincident with the flaring blazar TXS 0506+056, the first and only $3σ$ neutrino-source association to date, provides new, multimessenger tests of the weak equivalence principle (WEP) and Lorentz invariance. Assuming that the flight time difference between the TeV neutrino and gamma-ray photons from the blazar flare is mainly caused by the gravitational potential of the Laniakea supercluster of galaxies, we show that the deviation from the WEP for neutrinos and photons is conservatively constrained to have an accuracy of $10^{-6}-10^{-7}$, which is 3--4 orders of magnitude better than previous results placed by MeV neutrinos from supernova 1987A. In addition, we demonstrate that the association of the TeV neutrino with the blazar flare sets limits on the energy scales of quantum gravity for both linear and quadratic violations of Lorentz invariance (LIV) to $E_{ m QG, 1}&gt;3.2 imes10^{15}-3.7 imes10^{16}$ GeV and $E_{ m QG, 2}&gt;4.0 imes10^{10}-1.4 imes10^{11}$ GeV. These improve previous limits on both linear and quadratic LIV energy scales in neutrino propagation by 5--7 orders of magnitude.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 뉴트리노와 천체 소스에서 온 광자 간의 도착 시간 지연을 이용하여 약한 등가원리(WEP)를 시험한다.
• 블라자르 활성화에서 온 다중메신저 데이터를 활용하여 뉴트리노 전파에서의 로렌츠 불변성 위반(LIV)을 제약한다.
• 더 높은 에너지이자 더 정밀하게 국소화된 뉴트리노 사건을 활용하여 초신성 1987A의 뉴트리노로부터 유도된 이전의 WEP 및 LIV 제약을 향상시킨다.
• 다양한 가정된 방출 지속 시간이 유도하는 제약에 미치는 영향을 평가한다. 보수적인 및 낙관적인 시간 지연 추정을 사용한다.

제안 방법

• 290 TeV 뉴트리노와 TXS 0506+056에서 온 감마선 광자 간의 시간 지연이 주로 Laniakea 초은하단의 중력 잠재력에 기인한다고 가정한다.
• 시간 지연을 뉴트리노와 광자에 대한 PPN 매개변수 γ의 차이와 연결하기 위해 매개변수화된 후노비에르(PPN) 형식을 적용한다.
• 관측된 시간 지연(최대 175일)을 이용하여 WEP에서의 편차, 즉 |γν − γγ|를 제약한다.
• 에너지 의존적인 뉴트리노 전파 지연을 모델링하고 이를 양자 중력 에너지 스케일 EQG,1 및 EQG,2와 연결함으로써 선형 및 이차 LIV에 대한 제약을 유도한다.
• 시간 지연에 대해 두 가지 시나리오를 고려한다: 보수적인 상한 175일과 플레어 최고점 시점에서의 더 낙관적인 추정치 15일.
• IceCube-170922A 데이터에서 유래한 150일 간의 뉴트리노 방출 창을 동일한 프레임워크에 적용하여 에너지 의존적인 WEP 및 LIV에 대한 추가 제약을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고에너지 뉴트리노와 블라자르에서 온 감마선 광자 간의 도착 시간 지연을 바탕으로 도출할 수 있는 약한 등가원리(WEP)의 가장 날카운 제약 조건은 무엇인가?
• RQ2 TXS 0506+056에서 온 290 TeV 뉴트리노와 감마선 광자 간의 관측된 시간 지연은 뉴트리노 전파에서의 선형 및 이차 로렌츠 불변성 위반(LIV)을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 유도된 양자 중력 에너지 스케일(EQG,1 및 EQG,2)의 제약 조건은 초신성 1987A에서 유도된 이전 제약과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 다른 방출 지속 시간(예: 15일 대비 175일)을 가정할 경우 유도되는 WEP 및 LIV 제약에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 활성 블라자르의 다중메신저 관측은 이전의 뉴트리노 기반 시험보다 기본 대칭성을 더 엄격하게 시험할 수 있는가?

주요 결과

• 뉴트리노와 광자에 대한 WEP 제약 조건은 |γν − γγ| < 8.5 × 10⁻⁶로 제한되며, 이는 이전의 MeV 뉴트리노 기반 제약보다 3~4개 주기만큼 향상된 것이다.
• 선형 로렌츠 불변성 위반(LIV)의 경우, 보수적인 175일 시간 지연을 사용할 때, 양자 중력 에너지 스케일은 EQG,1 > 3.2 × 10¹⁵ GeV로 제약된다.
• 이차 LIV의 경우, 동일한 보수적인 가정 하에 EQG,2 > 4.0 × 10¹⁰ GeV로 제약되며, 이는 이전의 초신성 1987A 기반 제약보다 5~7개 주기만큼 향상된다.
• 더 짧은 15일 시간 지연(플레어 최고점에서의 방출을 가정)을 사용할 경우, 제약 조건은 EQG,1 > 3.7 × 10¹⁶ GeV 및 EQG,2 > 1.4 × 10¹¹ GeV로 강화되며, 감도에서 10배 향상됨을 보여준다.
• IceCube 데이터에서 유도한 150일 방출 창을 사용하면, WEP 제약 조건은 |γν(20 TeV) − γν(0.1 TeV)| < 7.3 × 10⁻⁶가 되며, LIV 제약 조건은 EQG,1 > 2.5 × 10¹⁴ GeV 및 EQG,2 > 3.0 × 10⁹ GeV가 된다.
• 결과는 고에너지 뉴트리노-블라자르 연관성이 이전의 제약보다 WEP 및 LIV 부문 모두에서 더 엄격한 기본 물리 법칙 시험을 위한 강력한 새로운 도구가 될 수 있음을 확인한다.