[论文解读] Multimessenger Tests of Einstein's Weak Equivalence Principle and Lorentz Invariance with a High-energy Neutrino from a Flaring Blazar

Jun-Jie Wei, Bin‐Bin Zhang+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2018

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文利用来自耀变体 TXS 0506+056 的 290 TeV 中微子（IceCube-170922A）与多信使事件的巧合，测试了爱因斯坦的弱等效原理（WEP）和中微子传播中的洛伦兹不变性破坏（LIV）。通过分析中微子与伽马射线光子之间的时延——该时延归因于拉尼亚凯亚超星系团的引力势——该研究实现了 |γν − γγ| < 8.5 × 10⁻⁶ 的 WEP 约束，并设定了新的量子引力能标限制：EQG,1 > 3.2 × 10¹⁵ GeV（线性 LIV）和 EQG,2 > 4.0 × 10¹⁰ GeV（二次 LIV），相比先前结果提高了 5 至 7 个数量级。

ABSTRACT

The detection of the high-energy ($\sim290$ TeV) neutrino coincident with the flaring blazar TXS 0506+056, the first and only $3σ$ neutrino-source association to date, provides new, multimessenger tests of the weak equivalence principle (WEP) and Lorentz invariance. Assuming that the flight time difference between the TeV neutrino and gamma-ray photons from the blazar flare is mainly caused by the gravitational potential of the Laniakea supercluster of galaxies, we show that the deviation from the WEP for neutrinos and photons is conservatively constrained to have an accuracy of $10^{-6}-10^{-7}$, which is 3--4 orders of magnitude better than previous results placed by MeV neutrinos from supernova 1987A. In addition, we demonstrate that the association of the TeV neutrino with the blazar flare sets limits on the energy scales of quantum gravity for both linear and quadratic violations of Lorentz invariance (LIV) to $E_{ m QG, 1}&gt;3.2 imes10^{15}-3.7 imes10^{16}$ GeV and $E_{ m QG, 2}&gt;4.0 imes10^{10}-1.4 imes10^{11}$ GeV. These improve previous limits on both linear and quadratic LIV energy scales in neutrino propagation by 5--7 orders of magnitude.

研究动机与目标

• 利用来自宇宙源的高能中微子与光子之间的到达时间延迟，测试弱等效原理（WEP）。
• 利用耀变体爆发的多信使数据，约束中微子传播中的洛伦兹不变性破坏（LIV）。
• 通过利用能量更高、定位更精确的中微子事件，改进此前基于超新星 1987A 中微子得出的 WEP 与 LIV 限制。
• 评估不同假设的发射持续时间对结果约束的影响，采用保守与乐观的时间延迟估计。

提出的方法

• 假设 290 TeV 中微子与来自 TXS 0506+056 的伽马射线光子之间的时延主要由拉尼亚凯亚超星系团的引力势引起。
• 应用参数化后牛顿（PPN）形式化方法，将时延与中微子和光子的 PPN 参数 γ 的差异联系起来。
• 利用观测到的时延（最多 175 天）约束 WEP 的偏离，表示为 |γν − γγ|。
• 通过建模能量依赖的中微子传播时延，并将其与量子引力能标 EQG,1 和 EQG,2 关联，推导出线性和二次 LIV 的限制。
• 考虑两种时延情景：保守的 175 天上限和基于爆发峰值时间的更乐观的 15 天估计。
• 将相同框架应用于 IceCube-170922A 数据中的 150 天中微子发射窗口，以进一步推导能量依赖的 WEP 与 LIV 约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 从高能中微子与耀变体发出的伽马射线光子之间的到达时间延迟中，能获得的关于弱等效原理（WEP）的最紧约束是什么？
• RQ2 观测到的 290 TeV 中微子与来自 TXS 0506+056 的伽马射线光子之间的时延，如何约束中微子传播中的线性和二次洛伦兹不变性破坏（LIV）？
• RQ3 基于此结果的量子引力能标限制（EQG,1 与 EQG,2）与先前来自超新星 1987A 的限制相比如何？
• RQ4 假设不同的发射持续时间（例如 15 天与 175 天）对推导出的 WEP 与 LIV 约束有何影响？
• RQ5 耀变体爆发的多信使观测能否提供比以往基于中微子的测试更严格的对基本对称性的检验？

主要发现

• 中微子与光子的 WEP 约束被限制在 |γν − γγ| < 8.5 × 10⁻⁶，相比此前基于 SN 1987A 的 MeV 能区中微子结果提高了 3 至 4 个数量级。
• 对于线性洛伦兹不变性破坏（LIV），在采用保守的 175 天时延假设下，量子引力能标被约束为 EQG,1 > 3.2 × 10¹⁵ GeV。
• 对于二次 LIV，在相同保守假设下，限制为 EQG,2 > 4.0 × 10¹⁰ GeV，相比先前基于 SN 1987A 的结果提高了 5 至 7 个数量级。
• 若采用更短的 15 天时延（假设发射发生在爆发峰值），限制进一步收紧至 EQG,1 > 3.7 × 10¹⁶ GeV 和 EQG,2 > 1.4 × 10¹¹ GeV，表明灵敏度提高了约 10 倍。
• 利用 IceCube 数据中 150 天的发射窗口，WEP 约束为 |γν(20 TeV) − γν(0.1 TeV)| < 7.3 × 10⁻⁶，LIV 限制为 EQG,1 > 2.5 × 10¹⁴ GeV 和 EQG,2 > 3.0 × 10⁹ GeV。
• 结果证实，高能中微子与耀变体的关联为测试基础物理提供了强大而新颖的探针，在 WEP 与 LIV 两个领域均超越了以往的限制。