[论文解读] Prospects of performing Lorentz invariance tests with VHE emission from pulsars

A. N. Otte|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2012

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 5被引用 11

一句话总结

本文提出利用脉冲星（特别是现已在100 GeV以上探测到的蟹状脉冲星）的甚高能（VHE）伽马射线辐射，以更高的灵敏度测试 Lorentz 不变量破坏（LIV）。通过测量不同光子能量下脉冲峰到达时间的能量依赖性时移，该研究实现了与现有最佳约束相当的LIV限制，尤其在线性项方面表现优异，并预测未来使用CTA的观测将能探测到接近普朗克尺度的LIV效应。

ABSTRACT

Gamma-ray observations provide sensitive tests of Lorentz invariance violation (LIV). At present the most sensitive tests come from observations of transient events, gamma-ray bursts and flaring AGN. Disadvantages of transients are that an independent confirmation by a different experiment is often not possible and that limits cannot be improved with a longer exposure. Pulsars do not have these disadvantages. Testing Lorentz invariance with pulsars was not considered seriously so far because limits were not competitive. The VERITAS collaboration has recently reported the detection of pulsed emission from the Crab pulsar above 100 GeV. This measurement can be used to constrain LIV effects with a sensitivity that is competitive with some of the best available limits. In view of this unexpected result we discuss what the prospects are of doing LIV tests with very-high energy gamma-ray emission from pulsars.

研究动机与目标

• 评估利用脉冲星的脉动VHE伽马射线辐射作为Lorentz不变性破坏（LIV）新探针的可行性。
• 克服GRB和耀变体活动星系核等瞬变源的局限性，这些源缺乏可重复性和独立验证。
• 证明VERITAS对蟹状脉冲星在100 GeV以上的探测结果，使得LIV约束具有竞争力。
• 预测通过更深度的观测以及像CTA这样的下一代望远镜，LIV灵敏度将得到进一步提升。
• 由于脉冲星具有稳定且周期性的特性，可实现对源内效应与传播诱导时移（如LIV）的清晰分离。

提出的方法

• 通过测量不同光子能量（例如100 MeV与120 GeV）下脉冲峰位置之间的时移，以探测能量依赖的传播效应。
• 应用标准的LIV假设：线性项为 $ c(E) = c \left(1 + \frac{E}{E_{\rm LIV}} \right) $，二次项为 $ c(E) = c \left(1 + \frac{3}{2} \frac{E^2}{E_{\rm LIV}^2} \right) $。
• 利用蟹状脉冲星的距离（2 kpc）和高能与低能脉冲峰之间时间差的100 μs上限，推导出 $ E_{\rm LIV} $ 的限制。
• 基于VERITAS数据，估算出线性项的 $ E_{\rm LIV} > 3 \times 10^{17} \, \text{GeV} $，二次项的 $ E_{\rm LIV} > 7 \times 10^9 \, \text{GeV} $。
• 通过更深度的VERITAS观测，以及更重要的是，通过下一代切伦科夫望远镜CTA（灵敏度提高10倍）的观测，预测灵敏度将得到显著提升。
• 考虑毫秒脉冲星（自转周期更短）和更遥远的脉冲星作为未来目标，以进一步增强LIV灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 与GRB和耀变体活动星系核等瞬变源相比，脉冲星的脉动VHE伽马射线辐射能否提供具有竞争力的Lorentz不变性破坏（LIV）约束？
• RQ2 VERITAS对蟹状脉冲星在100 GeV以上的探测结果，如何实现更高灵敏度的LIV测试？
• RQ3 未来使用CTA的观测能在多大程度上提升LIV灵敏度？是否能够探测到普朗克尺度？
• RQ4 脉冲星稳定且周期性的特性，是否有助于将源内效应与传播诱导的时移（如LIV）清晰分离？
• RQ5 当观测自转更快（毫秒级）或更遥远的脉冲星且能量高于100 GeV时，LIV限制的预期改进程度如何？

主要发现

• VERITAS对蟹状脉冲星在100 GeV以上脉动伽马射线辐射的探测，使得LIV测试的灵敏度达到与现有最佳限制相当的水平。
• 基于100 MeV与120 GeV脉冲峰之间时间差的95%置信水平上限为100 μs，本研究推导出线性LIV项的 $ E_{\rm LIV} > 3 \times 10^{17} \, \text{GeV} $。
• 对于二次LIV项，推导出的限制为 $ E_{\rm LIV} > 7 \times 10^9 \, \text{GeV} $，比现有来自耀变体爆发的最佳限制低一个数量级。
• 线性项的限制与MAGIC对Mrk 501爆发的最佳限制相当，仅比H.E.S.S.对PKS 2155-304的限制低一个数量级。
• 未来使用切伦科夫望远镜阵列（CTA）的观测预计可将脉冲峰时间分辨率提高一个数量级，并将灵敏度扩展至TeV能量范围，从而实现对普朗克尺度LIV效应的探测。
• 若能探测到高于100 GeV的毫秒脉冲星，由于其更高的自转频率和更优的时间测量精度，线性项的LIV限制可提升10倍，二次项的限制可提升 $ \sqrt{10} $ 倍。