[论文解读] Superluminal Particles and High-Energy Cosmic Rays

Luis Gonzalez‐Mestres|ArXiv.org|May 26, 1997

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 11

一句话总结

本文提出，超光速粒子（称为'超快子'）可能作为物质的新领域存在，其临界速度远大于光速（c），或可解释高能宇宙射线和暗物质。这些粒子在速度超过c时会发射真空切伦科夫辐射，从而提供一种产生超高能宇宙射线的机制，并在天体粒子实验中形成可检验的特征信号。

ABSTRACT

Lorentz symmetry has been tested at low energy with great accuracy, but its extrapolation to very high-energy phenomena is much less well established. We expect a possible breaking of Lorentz symmetry to be a very high energy and very short distance phenomenon, compatible with existing data. If textbook special relativity is only an approximate property of the equations describing a sector of matter above some critical distance scale, superluminal sectors of matter may exist related to new degrees of freedom not yet discovered experimentally. The new superluminal particles ("superbradyons") would have positive mass and energy, and behave kinematically like "ordinary" particles (those with critical speed in vacuum equal to c , the speed of light) apart from the difference in critical speed (we expect c_i >> c , where c_i is the critical speed of a superluminal sector of matter). At speed v > c , they are expected to release "Cherenkov" radiation ("ordinary" particles) in vacuum. If superluminal particles exist, they could provide most of the cosmic (dark) matter and produce very high-energy cosmic rays compatible with unexplained discoveries reported in the literature. We discuss: a) the possible relevance of superluminal matter to the composition, sources and spectra of high-energy cosmic rays; b) signatures and experiments allowing to possibly explore such effects.

研究动机与目标

• 研究在极高能量下洛伦兹对称性可能被破坏，从而导致新的超光速物质领域的可能性。
• 探讨超光速粒子是否可解释观测到的超高能宇宙射线通量和能谱。
• 考察超光速物质在解释宇宙射线成分和起源（包括未解的高能事件）中的作用。
• 识别潜在的实验信号，如真空切伦科夫辐射，用于探测超光速粒子。
• 评估超光速物质与现有低能洛伦兹对称性检验及宇宙射线数据的相容性。

提出的方法

• 提出一个理论框架，其中狭义相对论是低于某一临界能量尺度时的有效近似描述，而超光速领域在该尺度以上显现。
• 引入超快子作为具有临界速度 c_i >> c 的有质量粒子，其运动学行为类似于普通粒子，但具有不同的真空速度极限。
• 应用真空切伦科夫辐射的概念：超光速粒子（v > c）将在真空中发射‘普通’粒子，类似于介质中的切伦科夫辐射。
• 在宇宙射线传播的背景下，分析超光速粒子衰变和辐射过程的运动学与能量约束。
• 利用现有的宇宙射线数据和观测到的能量谱，约束超光速领域的参数。
• 通过识别可探测信号（如超光速衰变产生的高能光子或粒子辐射）评估实验可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有 c_i >> c 的超光速粒子（超快子）是否可作为粒子物理标准模型的可行扩展？
• RQ2 超光速粒子如何贡献于天体物理数据中观测到的超高能宇宙射线的产生？
• RQ3 在宇宙射线和天体粒子实验中，超光速粒子的可探测信号（尤其是真空切伦科夫辐射）是什么？
• RQ4 超光速物质的存在在多大程度上与低能洛伦兹对称性检验及当前宇宙射线观测相容？
• RQ5 超光速粒子是否可能构成宇宙中暗物质的显著部分？

主要发现

• 提出具有 c_i >> c 的超光速粒子（超快子）可能是超高能宇宙射线起源的可能解释。
• 当这些粒子以超过 c 的速度运动时，会发射真空切伦科夫辐射（以普通粒子形式），从而提供一种可探测的能量损失机制。
• 该模型表明，超光速物质可能构成宇宙（暗）物质的主要成分。
• 此类粒子的存在与当前低能洛伦兹对称性检验相容，因为其效应仅在极高能量下才显著。
• 在超光速领域特定参数选择下，该理论与观测到的宇宙射线谱和通量具有理论一致性。
• 本文识别出真空切伦科夫辐射是未来高能天体物理观测中检验超光速粒子存在的关键实验信号。