[论文解读] Exploration of possible signals beyond special relativity using high-energy astroparticle physics

M. A. Reyes|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2023

Astrophysics and Cosmic PhenomenaPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本论文利用高能天体粒子数据，研究了超越狭义相对论的物理现象的特征，重点聚焦于洛伦兹不变性破坏（LIV）与双重特殊相对论（DSR）。通过高能中微子与伽马射线传播模型，预测了能谱截止与时间延迟，发现超光速中微子引起的LIV会在能谱截止前产生通量过剩，而DSR模型则会改变伽马射线的透明度并引发能量依赖的时间延迟，为地基与空间观测站提供了可检验的信号。

ABSTRACT

To unify the standard model of particle physics and general relativity, we may require a quantum description of gravity, which will change our notion of spacetime at very high energies. In this dissertation we explore possible traces of new physics beyond special relativity, using the propagation of high energy astroparticles. For this purpose, the two ways of going beyond Lorentz invariance are presented, a breaking of the Lorentz invariance (Lorentz invariance violation or LIV or its deformation (doubly special relativity or DSR), emphasizing their conceptual and phenomenological differences. For the study of LIV, the work focuses on the prediction of modifications in the expected neutrino flux on Earth, both from astrophysical and cosmogenic origin (from the interaction of cosmic rays with the background radiation during their propagation). For the study of DSR we focus instead on the search for anomalies in the time of flight of massless particles (time delays) and on the study of the expected flux of gamma rays on Earth. The results obtained show the possibility of using astroparticle observations as a window to quantum gravity phenomenology, at energies attainable at present and/or in the very near future.

研究动机与目标

• 利用高能天体粒子观测，识别超越狭义相对论的可实验检验的物理信号。
• 研究超光速中微子引起的洛伦兹不变性破坏（LIV）如何改变地球上的中微子通量与能谱形状。
• 评估双重特殊相对论（DSR）对伽马射线传播的影响，包括透明度与飞行时间差异。
• 探讨宇宙射线与星系际背景光相互作用中，宇宙成因中微子峰与LIV引起的截止之间的相互作用。
• 评估基于DSR框架推导的非对易时空结构下，时间延迟预测的一致性。

提出的方法

• 在高能粒子相互作用中使用共线近似，以简化衰变宽度与截面的计算。
• 应用一种特定的LIV模型，其中超光速中微子被视为衰变为e⁺e⁻与νν̄对的不稳定粒子。
• 模拟宇宙射线与宇宙微波背景（CMB）相互作用产生的中微子传播，纳入LIV引起的能谱截止。
• 使用DCL1模型分析DSR对伽马射线传播的影响，计算能量依赖的透明度变化。
• 利用能量-动量空间中的泊松括号与非对易时空形式，推导高能与低能光子之间的时间延迟公式。
• 在规范（x,t）与非规范（X,T）时空坐标之间执行坐标变换，以评估时间延迟预测的不变性。

实验结果

研究问题

• RQ1 超光速中微子引起的洛伦兹不变性破坏是否会在高能中微子谱中产生可探测的能谱截止与通量过剩？
• RQ2 LIV如何影响CMB相互作用产生的宇宙成因中微子峰的可见性？其是否可通过截止前的累积效应被增强？
• RQ3 双重特殊相对论（DSR）对高能伽马射线在宇宙中透明度有何影响？
• RQ4 DSR模型是否预测高能与低能光子之间存在可测量的时间延迟？这些预测在非对易时空结构下是否稳健？
• RQ5 不同能量光子之间的时间延迟在从规范时空坐标到非规范时空坐标变换下是否保持不变？

主要发现

• 具有超光速中微子的LIV模型会在地球上的中微子通量中诱导出能谱截止，且由于衰变辐射导致的发射，截止前出现微弱的通量过剩。
• LIV引起的截止会抑制CMB相互作用产生的宇宙成因中微子峰，若无截止前的累积增强，可能使其无法被探测。
• 截止前的通量累积可与宇宙射线与星系际背景光相互作用产生的峰值重叠，从而增强该成分的可探测性。
• 在DCL1 DSR模型下，宇宙对高能伽马射线的透明度在高能区渐近减小，且在之前出现短暂增加。
• DSR模型中高能与低能光子之间的时间延迟具有能量依赖性，且与相对局部性框架一致，其预测在非对易时空坐标变换下保持不变。
• 在非对易时空坐标（X,T）下推导的时间延迟与规范坐标（x,t）下的结果一致，证实了该时间延迟预测在不同时空描述下的稳健性。