[论文解读] Lorentz violation, vacuum, cosmic rays, superbradyons and Pamir data

Luis Gonzalez‐Mestres|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2010

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 35被引用 6

一句话总结

该论文提出，在极高能量下规范对称性破缺（LSV）可能通过抑制横向动量而不改变纵向动量的能量损失机制，解释帕米尔宇宙射线数据中超过~10^16 eV的异常喷流结构。该机制认为，假设存在的超光速粒子——超快子（superbradyons）——可介导此类能量损失，通过真空能量捕获导致喷流拉长，从而提供一种与低能实验中LSV限制相容的机制。

ABSTRACT

The possibility that Pamir data at very high energy cannot be fully explained by standard physics has recently led to the suggestion that the peculiar jet structure observed above ~ 10E16 eV could be due to a suppression of effective space transverse dimensions. The new pattern considered violates Lorentz symmetry. We point out that, in models with Lorentz symmetry violation, a suppression of available transverse energy for jets while conserving longitudinal momentum can be generated by new forms of energy losses at very high energy without altering space-time structure. An illustrative example can be superbradyon emission, where in all cases the superbradyon energy would be much larger than its momentum times c (speed of light). More generally, such phenomena could be due to the interaction of the high-energy cosmic ray with new vacuum and/or particle structure below the 10E-20 cm scale. Scenarios involving Lorentz symmetry violation but not superbradyons are also briefly considered.

研究动机与目标

• 调查规范对称性破缺（LSV）是否能解释帕米尔宇宙射线数据中超过~10^16 eV的异常喷流结构。
• 探讨在普朗克尺度或以下的LSV如何在不改变时空几何的前提下，产生高能宇宙射线相互作用中横向能量的有效抑制。
• 评估超快子作为能量损失机制的可行性，该机制可保持纵向动量守恒，同时减少横向运动。
• 检查在低于10^-20 cm尺度的真空结构是否可在超高能宇宙射线碰撞中介导新的能量损失通道。
• 调和潜在的高能LSV效应与现有低能实验对规范对称性破缺的限制。

提出的方法

• 在真空静止参考系（VRF）中使用二次变形相对论运动学（QDRK）来模拟高能下的LSV效应。
• 应用一种运动学模型，其中超快子以高能量但可忽略的动量产生，通过从真空中捕获能量满足E >> pc。
• 分析超高能宇宙射线-空气碰撞中的能量-动量守恒，假设真空吸收能量但不吸收显著动量。
• 考虑低能物理与普朗克尺度之间的中间尺度阈值效应，以调和高能LSV与低能约束。
• 评估非超快子LSV情景，其中真空激发导致发射具有抑制横向运动的常规粒子。
• 利用对超快子质量、动量和动能（例如，GeV尺度超快子约为~10^-3 eV）的估计，评估其可探测性与现有限制的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 规范对称性破缺能否解释帕米尔宇宙射线数据中超过~10^16 eV的拉长喷流结构？
• RQ2 在超高能宇宙射线碰撞中，能量损失机制如何抑制横向动量而不违反纵向动量守恒？
• RQ3 超快子在多大程度上可介导能量从靶体向真空的转移，从而导致横向运动的有效抑制？
• RQ4 在中间尺度的LSV阈值效应能否调和强高能LSV与弱低能实验限制之间的矛盾？
• RQ5 在亚10^-20 cm尺度的真空结构对超高能宇宙射线相互作用和喷流形态有何影响？

主要发现

• 规范对称性破缺可在不改变时空几何的前提下，产生高能宇宙射线喷流中横向能量的有效抑制。
• 超快子的发射提供了一种机制：能量从靶体捕获，动量转移极小，从而导致喷流拉长。
• 能量约为~10^-3 eV、动量约为~10^-3 eV/c的超快子，其动能约为~10^-3 eV，使其相互作用极弱，难以探测。
• 对于能量约为~1 TeV、速度约为~10^6c的超快子，其静止能量可达~10^24 eV，若其速度v_s > c，可能产生可探测的切伦科夫样辐射。
• 由于在低能物理与普朗克尺度之间的中间能量尺度存在阈值效应，该模型可与低能LSV限制相容。
• 在亚10^-20 cm尺度的真空动力学可能作为能量损失的储库，解释喷流拉长，而无需引入维度约化或时空几何改变。