[论文解读] Prospective constraints on Lorentz violation from UHE photon detection

Г. И. Рубцов, Petr Satunin+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2013

Noncommutative and Quantum Gravity Theories被引用 1

一句话总结

该论文提出，通过利用地球大气层和磁场对超高能（UHE）光子的抑制性相互作用，对高于10^19 eV的UHE光子探测可约束量子电动力学中的洛伦兹对称性破坏。若探测到此类光子，将排除特定的洛伦兹对称性破坏情景，从而获得比当前限制强几个数量级的约束，且不依赖于天体物理源的假设。

ABSTRACT

We point out that violation of Lorentz invariance affects the interaction of high-energy photons with the Earth's atmosphere and magnetic field. In certain parameter region this interaction becomes suppressed and the photons escape observation passing through the atmosphere without producing air showers. We argue that a detection of photon-induced air showers with energies above 10^19 eV, implying the absence of suppression as well as the absence of photon decay, will put tight double-sided limits on Lorentz violation in the sector of quantum electrodynamics. These constraints will be by several orders of magnitude stronger than the existing ones and will be robust against any assumptions about the astrophysical origin of the detected photons.

研究动机与目标

• 确定洛伦兹对称性破坏如何影响UHE光子与地球大气层和磁场的相互作用。
• 确立光子相互作用被抑制的机制，从而使得除非洛伦兹不变性被保留，否则UHE光子将无法被探测。
• 利用观测到的UHE光子空气簇射，推导出量子电动力学中洛伦兹对称性破坏的双侧约束。
• 确保这些约束对UHE光子天体物理起源的不确定性具有鲁棒性。

提出的方法

• 在量子电动力学中建立洛伦兹对称性破坏的相互作用模型，以修改光子在地球大气层中的传播行为。
• 分析此类破坏如何抑制光子与大气物质及磁场的相互作用。
• 评估UHE光子避免产生空气簇射或衰变的条件。
• 利用高于10^19 eV的观测UHE光子探测结果作为洛伦兹对称性破坏的零假设检验。
• 通过假设探测事件中不存在抑制和衰变，推导出洛伦兹对称性破坏参数的限制。
• 将空气簇射的探测作为探针，用于设定光子 sector 中洛伦兹对称性破坏的双侧限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，洛伦兹对称性破坏会抑制UHE光子与地球大气层和磁场的相互作用？
• RQ2 洛伦兹对称性破坏的相互作用如何影响通过空气簇射产生来探测UHE光子的可能性？
• RQ3 从观测到的UHE光子空气簇射中未观测到抑制现象，可推导出对量子电动力学中洛伦兹对称性破坏的何种约束？
• RQ4 这些约束对UHE光子天体物理起源的假设有多大的鲁棒性？
• RQ5 UHE光子探测对光子 sector 中洛伦兹对称性破坏参数的双侧限制具有多高的灵敏度？

主要发现

• 在高于10^19 eV的UHE光子诱导空气簇射被探测到，意味着洛伦兹对称性破坏导致的抑制不存在。
• 未观测到此类抑制，且未观测到光子衰变，共同设定了量子电动力学中洛伦兹对称性破坏的强双侧约束。
• 这些约束比现有限制强几个数量级。
• 推导出的限制具有鲁棒性，且不依赖于对探测光子天体物理来源的假设。
• 该方法通过大气传播和磁场效应，为光子 sector 中洛伦兹不变性破坏提供了一种直接探测手段。