[论文解读] Test of Lorentz Invarience from Compton Scattering

P. Mohanmurthy, D. Dutta+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 3

一句话总结

本论文提出在杰斐逊实验室利用康普顿偏振仪测试洛伦兹不变性，通过测量光子折射率的本地时变异性来探测能量与方向相关的真空色散。该研究实现了对最小标准模型拓展参数的新极限：$ olimits\sqrt{\kappa_X^2 + \kappa_Y^2} < 4.6 \times 10^{-10}$，并报告了$n = 1 + (2.44 \pm 6.82) \times 10^{-9}$，与单位值无显著偏离一致。

ABSTRACT

In the recent times, test of Lorentz Invariance has been used as a means to probe theories of physics beyond the standard model. We describe a simple way of utilizing the polarimeters, which are a critical beam instrument at precision and intensity frontier nuclear physics labs such as the erstwhile Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) and Jefferson Lab (JLab), to constrain the dependence of vacuum dispersion with the energy of the photons and its direction of propagation at unprecedented level of precision. We obtain a limit of minimal Standard Model extension (MSME) parameters: $\sqrt{κ_X^2 + κ_Y^2} &lt; 4.6 imes 10^{-10}$ and $\sqrt{\left( 2c_{TX} - ( ildeκ_{0^+}^{YZ} ight)^2 + \left( 2c_{TY} - ( ildeκ_{0^+}^{ZX} ight)^2} &lt; 4.6 imes 10^{-10}$. We also obtain a leading constraint for the refractive index of free space $n = 1 + (2.44 imes10^{-9} \pm 6.82 imes 10^{-9})$.

研究动机与目标

• 利用核物理实验设施中的康普顿偏振仪高精度检验洛伦兹不变性。
• 利用光子折射率的本地时变性，约束能量与方向相关的真空色散。
• 推导与洛伦兹破坏相关的最小标准模型拓展（MSME）参数的新上限。
• 利用长期康普顿偏振仪数据，改进现有对真空折射率和洛伦兹破坏系数的实验约束。
• 研究广义相对论是否可能对小的非零折射率值产生贡献。

提出的方法

• 利用杰斐逊实验室Hall-C中的康普顿偏振仪，通过康普顿散射连续监测电子束极化。
• 将康普顿散射截面与纵向不对称性模型化，采用修正的光子能量归一化 $ olimits\rho \rightarrow \rho(n)$，以考虑折射率偏离 $n \approx 1 + \delta$ 的情况。
• 对50个探测器条带的不对称性数据进行最小二乘拟合，提取 $2\gamma_0^2(n-1)$ 作为真空色散的代理量。
• 利用运动学函数 $f(x,\theta)$，在能量-动量守恒条件下将折射率偏离与可观测的不对称性偏移关联起来。
• 分析6个月数据中折射率的变化，检测由地球自转引起的本地时调制。
• 将 $n-1$ 的本地时依赖性拟合为频率为 $\Omega$ 的正弦函数，提取振幅与相位，以约束 $\vec{\kappa}$ 分量。

实验结果

研究问题

• RQ1 康普顿偏振仪能否在高精度下探测到能量与方向相关的真空色散？
• RQ2 与真空中洛伦兹破坏相关的MSME参数 $\kappa_X$、$\kappa_Y$ 的上限是多少？
• RQ3 自由空间的折射率是否偏离单位值？若偏离，是否可由广义相对论等已知物理理论解释？
• RQ4 康普顿散射不对称性的本地时变异性能否揭示光子场中的洛伦兹破坏效应？
• RQ5 所测得的 $n-1$ 值与理论预期及现有实验约束相比如何？

主要发现

• 真空的平均折射率测量结果为 $n = 1 + (2.44 \times 10^{-9} \pm 6.82 \times 10^{-9})$，在不确定度范围内与单位值一致。
• 对MSME参数施加了最严格的约束：在95%置信水平下，$\sqrt{\kappa_X^2 + \kappa_Y^2} < 4.6 \times 10^{-10}$。
• 该上限同样意味着 $\sqrt{(2c_{TX} - \tilde{\kappa}_{0^+}^{YZ})^2 + (2c_{TY} - \tilde{\kappa}_{0^+}^{ZX})^2} < 4.6 \times 10^{-10}$。
• $n-1$ 的本地时变异性被正弦函数良好拟合，振幅小于 $0.4 \times 10^{-9}$，证实无显著洛伦兹破坏。
• 拟合得到 $\chi^2 = 1.24$（自由度为22），表明与正弦模型高度一致。
• 小的非零 $n-1$ 值与广义相对论效应相容，不表明存在洛伦兹破坏。