[论文解读] Possible Effects of Lorentz Symmetry Violation on the Interaction Properties of Very High-Energy Cosmic Rays

Luis Gonzalez‐Mestres|ArXiv.org|Jun 23, 1997

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 6被引用 5

一句话总结

本文提出，在极短距离尺度——可能接近普朗克长度——的洛伦兹对称性破缺，可能显著改变超高能宇宙射线（UHECRs）的相互作用性质，为宇宙射线物理中长期存在的谜题（如能量超过10^19 eV的粒子的起源与传播）提供解决方案。该研究认为，此类破缺可能使超光速物质区域成为可能，从而在大规模探测器中产生可探测的高能事件。

ABSTRACT

Special relativity has been tested at low energy with great accuracy, but these results cannot be extrapolated to the very high-energy region. Introducing a critical distance scale, $a$ , below 10E-25 cm (the wavelength scale of the highest-energy observed cosmic rays) allows to consider models, compatible with standard tests of special relativity, where a small violation of Lorentz symmetry ($a$ can, for instance, be the Planck length, around 10E-33 cm) produces dramatic effects on the interaction properties of very high-energy particles. Lorentz symmetry violation may potentially solve all the basic problems raised by the highest-energy cosmic rays (origin and energy, propagation...). Furthermore, superluminal sectors of matter may exist and release very high-energy ordinary particles or directly produce very high-energy cosmic-ray events with unambiguous signatures in very large detectors. We discuss these phenomena, as well as the cosmic-ray energy range (well below the energy scale associated to the fundamental length) and experiments where they could be detected and studied.

研究动机与目标

• 调查在亚普朗克尺度下洛伦兹对称性破缺是否能解决超高能宇宙射线（UHECR）观测中的基本不一致问题。
• 研究在低于10^-25 cm的尺度下，洛伦兹不变性的小幅偏离如何导致UHECR相互作用动力学的显著变化。
• 探讨超光速物质区域可能产生可观测的高能宇宙射线事件并具有独特特征的可能性。
• 识别可行的实验装置，以探测这些效应，特别是在大规模宇宙射线探测器中。
• 通过引入基本长度尺度的修正相对论框架，调和UHECR数据中明显的矛盾，如GZK截止异常，同时不违反低能实验对狭义相对论的检验。

提出的方法

• 引入一个临界长度尺度 $ a $，可能为普朗克长度（约10^-33 cm），作为建模高能区域洛伦兹对称性破缺的参数。
• 采用有效场论方法，将微小的洛伦兹破缺修正纳入高能粒子的相对论运动学中。
• 分析此类破缺如何在远低于普朗克尺度的能量下，改变粒子产生阈值、衰变速率和相互作用截面。
• 考虑假设的超光速物质区域的存在，这些区域可能衰变为或直接产生普通高能粒子。
• 通过独特的运动学和能量沉积特征，评估这些效应在大面积宇宙射线探测器中可探测性的可能性。
• 利用低能实验对狭义相对论的约束，确保与现有实验数据的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在亚普朗克尺度下，洛伦兹对称性破缺是否能解释超高能宇宙射线的观测特性，同时不与低能相对论检验相矛盾？
• RQ2 在大型宇宙射线探测器中，超光速物质区域的可探测特征是什么？
• RQ3 洛伦兹破缺修正如何改变极高能粒子的相互作用截面和能量损失机制？
• RQ4 通过引入基本长度尺度的修正相对论框架，是否能解决GZK截止异常及最高能宇宙射线的起源问题？
• RQ5 哪些实验构型对探测超高能宇宙射线区域中的洛伦兹破缺效应最为敏感？

主要发现

• 在低于10^-25 cm的尺度下——可能在普朗克尺度——的洛伦兹对称性破缺，可显著改变超高能宇宙射线的相互作用性质。
• 此类破缺可能解决观测到的GZK截止抑制与存在能量超过10^19 eV宇宙射线之间的明显矛盾。
• 超光速物质区域可直接在大型探测器中产生具有明确、独特特征的高能宇宙射线事件。
• 该模型与所有低能实验对狭义相对论的检验保持一致，因为破缺尺度远低于当前实验灵敏度。
• 感兴趣的能区远低于普朗克能量尺度，尽管破缺参数极小，但效应仍可能被探测到。
• 理论预测表明，这些效应可能在未来具有高角分辨率和高能量分辨率的大规模宇宙射线观测站中被探测到。