[论文解读] Physical and Cosmological Implications of a Possible Class of Particles Able to Travel Faster than Light

Luis Gonzalez‐Mestres|ArXiv.org|Oct 24, 1996

Experimental and Theoretical Physics Studies参考文献 4被引用 19

一句话总结

该论文提出了一套理论框架，其中超光速粒子（临界速度超过光速）可能存在于真空中，感受类似闵可夫斯基时空的时空结构，其有效光速上限高于c，同时在低能下仍与洛伦兹不变性一致。若v > c，这些粒子将在真空中发射切伦科夫辐射，为高能宇宙射线实验提供可探测的信号，可能解释未解的超高能宇宙射线和暗物质现象。

ABSTRACT

If Lorentz invariance is only an approximate property of equations describing a sector of matter above some critical distance scale, the speed of light c will not necessarily be the only critical speed in vacuum. Superluminal sectors of matter may exist related to new degrees of freedom not yet discovered experimentally. The new particles would not be tachyons: they may feel different minkowskian space-times with critical speeds much higher than c and behave kinematically like ordinary particles apart from the difference in critical speed. We present a discussion of possible physical (theoretical and experimental) and cosmological implications of such a scenario, assuming that the superluminal sectors couple weakly to ordinary matter.

研究动机与目标

• 探讨物质场中临界速度超过c的理论可能性，挑战c是真空中唯一基本速度的假设。
• 研究洛伦兹不变性如何作为某些物质场的有效对称性出现，即使其底层时空几何非闵可夫斯基型。
• 考察弱相互作用超光速粒子的宇宙学和天体物理学影响，包括其在暗物质和超高能宇宙射线中的作用。
• 在高能加速器和宇宙射线探测器中提出超光速粒子的可探测信号，特别是通过真空中切伦科夫辐射和非弹性碰撞。
• 解决此类情景与标准相对论检验的相容性，以及低能下未观测到违反现象的问题。

提出的方法

• 分析洛伦兹不变方程（如sine-Gordon孤子）在伽利略背景时空中的解，表明此类系统可表现出具有有效光速c_o ≠ c的相对论性运动学。
• 引入真空中多重临界速度的概念，其中超光速粒子具有更高的临界速度c_i > c，导致修正的相对论性运动学。
• 将切伦科夫辐射机制应用于真空中：超光速粒子（v > c_i）会向来自较低临界速度区的粒子（包括普通粒子）发射辐射。
• 模拟天体物理源中高能超光速粒子的产生及其与普通物质的相互作用，包括非弹性碰撞中的能量转移。
• 考虑超光速宇宙射线在地球和星际介质中的传播，指出由于弱耦合导致的极低衰减。
• 评估大体积探测器中的事例信号，强调非电离、高能沉积特征，以及可能源自穿越地球的粒子。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不违反洛伦兹不变性或与低能相对论检验矛盾的前提下，临界速度超过c的物质场是否可能存在？
• RQ2 在高能加速器和宇宙射线探测器中，超光速粒子的可观测信号是什么，特别是通过真空中切伦科夫辐射？
• RQ3 超光速粒子的存在将如何影响标准大爆炸模型、大尺度结构形成以及宇宙微波背景？
• RQ4 超光速粒子能否解释观测到的超过GZK截止的超高能宇宙射线通量？它们对源位置有何约束？
• RQ5 在大体积探测器中，由超光速初级粒子引发的事例与普通粒子或中微子引发的事例有何区别？

主要发现

• 临界速度c_i > c的超光速粒子可作为洛伦兹不变方程在非闵可夫斯基背景（如伽利略时空中sine-Gordon孤子）中的解存在。
• 这些粒子的静止能量与c_i²成正比，意味着由于临界速度极高，其静止质量极大。
• 当速度v > c时，超光速粒子将在真空中发射切伦科夫辐射，包括普通粒子，从而提供一种新型超高能宇宙射线来源。
• 高能超光速宇宙射线可几乎无衰减地穿越地球，并产生可探测的非弹性碰撞，几乎将全部能量传递给普通次级粒子。
• 由超光速初级粒子引发的事件可能缺乏电离，可在探测器中任意位置起始，且源自穿越地球的粒子，与中微子或普通宇宙射线事件相区别。
• 超光速初级粒子的GZK截止可能缺失或发生偏移，为解释100 EeV以上未解的超高能宇宙射线事件提供了可能途径。