[论文解读] Future prospects of testing Lorentz invariance with UHECRs

Denise Boncioli, Armando di Matteo+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2015

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 22被引用 5

一句话总结

本文研究了超高能宇宙射线（UHECRs）通过大气簇射发展而非传播效应来检验洛伦兹不变性破坏（LIV）的潜力。结果表明，LIV导致的中性π介子衰变抑制会改变簇射最大位置（X_max）并增加μ子产额，从而在源能限情景使基于传播的约束失效时，提供一种新的途径来约束LIV参数。

ABSTRACT

In the last years a general consensus has emerged on the use of ultra-high energy cosmic rays (UHECR) data as a powerful probe of the validity of special relativity. This applies in particular to the propagation of cosmic rays from their sources to Earth, responsible for energy suppressions due to pion photoproduction by UHE protons (the Greisen-Zatsepin Kuzmin limit) and photo disintegration of UHE nuclei (the Gerasimova-Rozental limit). A suppression in the flux of UHECRs at energies above 40 EeV -- as expected from both these interactions -- has been established experimentally beyond any doubt by current experiments. However, such an observation is still not conclusive on the origin of the suppression. In particular, data from the Pierre Auger Observatory can be interpreted in a scenario in which the suppression is due to the maximum acceleration energy at the sources rather than to interactions in the background radiation. In this scenario, UHECR data can no longer yield bounds on Lorentz invariance violations which increase the thresholds for interactions of nuclei on background photons, in particular through modification of the dispersion relations. Here we argue in turn that the study of UHECRs still represents an opportunity to test Lorentz invariance, by discussing the possibility of deriving limits on violation parameters from UHECR phenomena other than propagation. In particular we study the modifications of the shower development in the atmosphere due to the possible inhibition of the decay of unstable particles, especially neutral pions.

研究动机与目标

• 在源能限情景使基于传播的约束失效时，重新评估UHECR检验洛伦兹不变性破坏（LIV）的潜力。
• 研究LIV对大气簇射发展（特别是中性π介子衰变受抑制）的影响是否能提供LIV参数的替代约束。
• 评估LIV修改的簇射发展对可观测量（如X_max和μ子多重性）的影响。
• 确定当前及未来的UHECR数据是否仍能约束LIV，即使GZK/GR抑制被归因于源截止而非相互作用阈值。
• 探索大气中LIV效应作为基于传播的LIV检验的补充探针的可行性，尤其针对强LIV情景。

提出的方法

• 采用有效场论方法，结合标准模型拓展（SME）中的修正色散关系，聚焦于与能量相关的LIV，其形式为与$ f_i / M_P^n $成正比，其中$ n=1 $或$ 2 $。
• 建模在$ E_i \geq (M_P m_i^2 / |f_i|)^{1/3} $时中性π介子衰变被抑制的情况，假设$ -f_i = 1 $以实现最大效应。
• 使用包含LIV诱导的π介子衰变抑制和增强相互作用率的改进EPOS相互作用模型，模拟UHECR大气簇射。
• 利用初级粒子能量和成分数据，比较LIV与洛伦兹不变（LI）情景下预测的X_max和μ子多重性。
• 评估模型对皮埃尔·让天文台数据的拟合效果，计算$ \chi^2 $以评估LIV情景与观测谱和成分的兼容性。
• 仅考虑最低阶LIV修正，并假设所有粒子种类行为相同，忽略高阶及CPT破坏效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 当基于传播的约束因源能限情景而失效时，UHECR大气簇射发展是否仍能为洛伦兹不变性破坏提供可行约束？
• RQ2 LIV诱导的中性π介子衰变抑制如何影响UHECR大气簇射中的簇射最大位置（X_max）和μ子产额？
• RQ3 当LIV仅影响簇射发展而非传播时，当前UHECR数据对LIV参数的敏感度如何？
• RQ4 在最大源刚度$ R_{\text{max}} \approx 10^{19.2} \, \text{V} $且$ \gamma = 2.65 $的场景下，是否能容纳LIV修改的簇射发展并实现$ \chi^2 \approx 1.6 $？
• RQ5 LIV对大气中粒子衰变的影响与对河外传播的影响相比量级如何，是否仍能产生可测量的约束？

主要发现

• 在高能下抑制中性π介子衰变的LIV效应，由于电磁簇射发展更快，导致簇射最大位置（X_max）向更高海拔移动。
• 与洛伦兹不变情况相比，LIV情景下地面平均μ子数增加，这是由于π介子衰变减少和相互作用率增强所致。
• 对于强LIV（$ n=1 $，$ f_i \approx O(1) $），在$ R_{\text{max}} \approx 10^{19.2} \, \text{V} $且$ \gamma = 2.65 $条件下拟合皮埃尔·让天文台数据时，$ \chi^2 \approx 1.6 $，而标准LI模型中$ \chi^2 > 4 $。
• 在LIV情景下，UHECR的成分主要由轻核素（H, He）主导，无需引入重初级粒子即可解释数据。
• LIV对簇射发展的影响弱于对传播的影响，但通过改进谱和成分数据仍可能被测量。
• 即使基于传播的LIV参数约束失效（例如，当$ f_i < -2.5 \times 10^{-14} $时），大气簇射效应仍为约束LIV提供可行路径，尤其适用于强破坏情形。