[논문 리뷰] Prospects of performing Lorentz invariance tests with VHE emission from pulsars

A. N. Otte|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 09.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 5인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 매우 높은 에너지(VHE) 감마선 방출을 가진 펄서—특히 이제 100 GeV 이상에서 검출된 크랩 펄서—를 이용하여 레이저 불변성 위반(LIV)을 더 높은 민감도로 테스트하는 것을 제안한다. 펄스 피크 도착 시간의 에너지 의존성 시간 지연을 측정하여, 특히 선형 항에 대해 가장 우수한 기존 제약 조건과 경쟁 가능한 LIV 제약 조건을 달성하며, 향후 CTA 관측을 통해 플랑크 스케일에서 LIV 효과를 탐색할 수 있음을 예측한다.

ABSTRACT

Gamma-ray observations provide sensitive tests of Lorentz invariance violation (LIV). At present the most sensitive tests come from observations of transient events, gamma-ray bursts and flaring AGN. Disadvantages of transients are that an independent confirmation by a different experiment is often not possible and that limits cannot be improved with a longer exposure. Pulsars do not have these disadvantages. Testing Lorentz invariance with pulsars was not considered seriously so far because limits were not competitive. The VERITAS collaboration has recently reported the detection of pulsed emission from the Crab pulsar above 100 GeV. This measurement can be used to constrain LIV effects with a sensitivity that is competitive with some of the best available limits. In view of this unexpected result we discuss what the prospects are of doing LIV tests with very-high energy gamma-ray emission from pulsars.

연구 동기 및 목표

• 펄서에서 오는 펄스형 VHE 감마선 방출을 레이저 불변성 위반(LIV)을 위한 새로운 탐사 수 Mittel로 사용할 수 있는지의 가능성을 평가하는 것.
• 반복성과 독립적 확인이 어려운 일시적 천체(예: GRB 및 활성은하핵)의 한계를 극복하는 것.
• 최근 VERITAS가 크랩 펄서의 100 GeV 이상에서 방출을 검출한 것이 경쟁 가능한 LIV 제약 조건을 가능하게 한다는 것을 입증하는 것.
• 더 깊은 관측과 향후 세대 천체망원경인 CTA와 같은 장비를 통해 향후 LIV 민감도 향상을 예측하는 것.
• 펄서의 안정적이고 주기적인 성격 덕분에 내재된 소스 효과와 전파에 의한 지연(예: LIV)을 명확히 분리할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 다른 광자 에너지(예: 100 MeV 대비 120 GeV)에서 펄스 피크 위치 간의 시간 지연을 측정하여 에너지 의존성 전파 효과를 탐지하는 것.
• 표준 LIV 가정 적용: 선형 항에 대해 $ c(E) = c \left(1 + \frac{E}{E_{\rm LIV}} \right) $, 제곱항에 대해 $ c(E) = c \left(1 + \frac{3}{2} \frac{E^2}{E_{\rm LIV}^2} \right) $.
• 크랩 펄서까지의 거리(2 kpc)와 고에너지 및 저에너지 피크 간 시간 차이에 대한 100 μs 이내 상한선을 사용하여 $ E_{\rm LIV} $ 제약 조건 유도.
• VERITAS 데이터 기반으로 선형 항에 대해 $ E_{\rm LIV} > 3 \times 10^{17} \, \text{GeV} $, 제곱항에 대해 $ E_{\rm LIV} > 7 \times 10^9 \, \text{GeV} $ 유도.
• 더 깊은 VERITAS 관측과 더불어, 민감도가 10배 높은 차세대 초신성망원경인 CTA를 통해 민감도 향상 예측.
• 더 빠른 스핀 주기(밀리초 펄서)와 더 먼 거리의 펄서를 향후 목표로 삼아 LIV 민감도를 추가로 향상시키는 것 고려.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펄서에서 오는 펄스형 VHE 감마선 방출은 GRB 및 활성은하핵과 같은 일시적 천체와 비교해 레이저 불변성 위반(LIV)에 대해 경쟁 가능한 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ2 VERITAS가 크랩 펄서의 100 GeV 이상에서 검출한 결과가 민감도 향상된 새로운 LIV 테스트를 가능하게 하는가?
• RQ3 향후 CTA 관측을 통해 LIV 민감도는 얼마나 향상될 수 있으며, 플랑크 스케일을 탐색할 수 있는가?
• RQ4 펄서의 안정적이고 주기적인 성격이 내재된 소스 효과와 전파에 의한 지연(예: LIV)을 분리하는 데 도움이 될 수 있는가?
• RQ5 100 GeV 이상에서 더 빠른(밀리초) 또는 더 먼 거리의 펄서를 관측할 경우 LIV 제약 조건은 예상하여 얼마나 향상될 수 있는가?

주요 결과

• VERITAS가 크랩 펄서에서 100 GeV 이상에서 펄스형 감마선 방출을 검출한 결과, 기존 최고 수준의 제약 조건과 경쟁 가능한 민감도로 LIV 테스트가 가능하다.
• 100 MeV와 120 GeV 피크 간 시간 차이에 대해 95% 신뢰수준 상한선이 100 μs 이내라는 조건을 바탕으로 선형 LIV 항에 대해 $ E_{\rm LIV} > 3 \times 10^{17} \, \text{GeV} $ 유도.
• 제곱항 LIV 항에 대해 유도된 제약 조건은 $ E_{\rm LIV} > 7 \times 10^9 \, \text{GeV} $이며, 이는 AGN 플레어에서 얻은 최고 수준의 제약 조건보다 한 단계 낮다.
• 선형 항 제약 조건은 MAGIC가 관측한 Mrk 501 플레어에서의 최고 제약 조건과 유사하며, H.E.S.S.의 PKS 2155-304에서의 제약 조건보다 한 단계 낮다.
• 향후 초신성망원경 어레이(CTA) 관측을 통해 피크 도착 시간 해상도가 약 10배 향상되고, 테바 범위까지 민감도가 확장되어 플랑크 스케일 LIV 탐색이 가능할 것으로 예상된다.
• 100 GeV 이상에서 밀리초 펄서를 검출할 경우, 높은 스핀 주기와 더 나은 타이밍 정밀도 덕분에 선형 항의 LIV 제약 조건은 약 10배, 제곱항의 경우 약 $ \sqrt{10} $ 배 향상될 것으로 기대된다.