[论文解读] Deformed Lorentz Symmetry and Ultra-High Energy Cosmic Rays

Luis Gonzalez‐Mestres|ArXiv.org|May 21, 1999

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 5被引用 4

一句话总结

本文提出，在普朗克尺度下存在的洛伦兹对称性破坏（LSV）可能导致形变洛伦兹对称性（DLS），这种模式在低能下保持洛伦兹不变性，但在极高能下改变相对论性运动学。研究表明，普朗克尺度下约10⁻⁶的LSV可解释超高能宇宙射线中GZK截止的缺失，以及其他异常现象，如粒子稳定性增强和相互作用率降低。

ABSTRACT

Lorentz symmetry violation (LSV) is often discussed using models of the $THεμ$ type which involve, basically, energy independent parameters. However, if LSV is generated at the Planck scale or at some other fundamental length scale, it can naturally preserve Lorentz symmetry as a low-energy limit (deformed Lorentz symmetry, DLS). Deformed relativistic kinematics (DRK) would be consistent with special relativity in the limit $k$ (wave vector) $ o ~0$ and allow for a deformed version of general relativity and gravitation. We present an updated discussion of the possible implications of this pattern for cosmic-ray physics at very high energy. A $\approx ~10^{-6}$ LSV at Planck scale, leading to a DLS pattern, would potentially be enough to produce very important observable effects on the properties of cosmic rays at the $\approx \~10^{20} eV$ scale (absence of GZK cutoff, stability of unstable particles, lower interaction rates, kinematical failure of the parton model...). We compare our approach with more recent similar claims made by S. Coleman and S. Glashow from models of the $THεμ$ type.

研究动机与目标

• 研究普朗克尺度下的洛伦兹对称性破坏（LSV）是否可能导致一种保持低能物理一致性的形变洛伦兹对称性（DLS）。
• 考察DLS对超高能宇宙射线（UHECR）物理的影响，特别是观测到的GZK截止缺失现象。
• 将DLS与传统的LSV模型（如THεμ型）进行对比，后者依赖于能量无关的参数。
• 评估DLS是否能够解释运动学异常现象，如极端高能下本应不稳定的粒子的稳定性增强以及相互作用率降低。
• 提供一个在低动量下与狭义相对论一致、在高能下与广义相对论一致的唯象学框架。

提出的方法

• 提出一种形变相对论运动学（DRK）框架，其中洛伦兹对称性仅在波矢（k → 0）趋于零的极限下保持。
• 引入由普朗克尺度诱导的LSV，其大小约为10⁻⁶，导致在极高能（~10²⁰ eV）下产生可观测的偏离。
• 推导在DLS下修改的色散关系和运动学约束，使非标准的粒子衰变和相互作用成为可能。
• 将DLS框架应用于宇宙射线传播，分析其对GZK截止抑制和部分子模型失效的影响。
• 将DLS的预测与THεμ型模型的预测进行比较，强调DLS在低能一致性方面的关键优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 由普朗克尺度诱导的洛伦兹对称性破坏是否能导致一种在低能物理中保持一致的形变洛伦兹对称性？
• RQ2 在普朗克尺度下约10⁻⁶的LSV会在超高能宇宙射线能谱中产生何种可观测效应？
• RQ3 形变洛伦兹对称性如何解释观测宇宙射线数据中GZK截止的缺失？
• RQ4 DLS在接近10²⁰ eV的能量下以何种方式改变粒子衰变和相互作用的运动学？
• RQ5 与传统的THεμ型模型相比，DLS在低能极限一致性和实验约束方面表现如何？

主要发现

• 约10⁻⁶量级的普朗克尺度LSV可产生一种形变洛伦兹对称性（DLS），其在低能下保持洛伦兹不变性。
• DLS导致一种修改的相对论运动学（DRK），从而抑制超高能宇宙射线中的GZK截止。
• 该模型预测，原本在极高能下不稳定的粒子因衰变运动学的改变而表现出增强的稳定性。
• 在DLS下，宇宙射线的相互作用率显著降低，与高能粒子通量的观测结果一致。
• DLS框架允许在高能下一致地推广狭义相对论和广义相对论，避免了能量无关LSV模型的不一致性。
• 该模型为THεμ型模型提供了一种唯象学上可行的替代方案，具有更好的低能一致性，并在~10²⁰ eV能量下产生可观测效应。