[论文解读] Tests of Lorentz Invariance Violation with Gamma Rays to probe Quantum Gravity

A. N. Otte, M. Errando+9 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2013

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 21被引用 5

一句话总结

本文利用Fermi-LAT、VERITAS、HAWC和CTA等仪器的高能伽马射线观测，测试了量子引力中的洛伦兹协变性破坏（LIV）。通过分析伽马射线暴（GRBs）、活动星系核（AGN）和脉冲星中能量依赖的时间延迟，该研究对LIV参数设定了严格限制，特别是二次项，其尺度可达6×10¹¹ GeV，并预测未来望远镜如CTA有望直接探测到普朗克尺度。

ABSTRACT

We discuss the prospects of doing tests of Lorentz invariance with gamma-rays observed with present and future ground based gamma-ray observatories.

研究动机与目标

• 测试洛伦兹协变性破坏（LIV）作为接近普朗克尺度能量下量子引力效应的特征。
• 利用高能伽马射线观测，约束真空中传播的色散和阈值效应的能量依赖性。
• 通过利用CTA和HAWC等高灵敏度仪器探测更暗淡和更遥远的源，改进现有的LIV限制。
• 通过多源、多红移分析，区分源内本征效应与传播引起的能量延迟。
• 预测下一代望远镜（尤其是CTA）对二次LIV项的未来限制，目标是直接探测普朗克尺度。

提出的方法

• 分析来自伽马射线暴（GRBs）、活动星系核（AGN）和脉冲星等可变源的高能伽马射线辐射中的时间延迟，假设各能量下同时发射。
• 采用能量依赖色散模型，其中真空中的光速随光子能量变化，以能量的线性和二次项参数化。
• 应用Fermi-LAT、H.E.S.S.、MAGIC、VERITAS和HAWC观测结果，约束LIV系数，尤其关注二次项。
• 模拟LIV对伽马射线在星系际介质中传播的影响，包括受星系际背景光影响的修正对产对阈值和光学厚度。
• 模拟CTA和HAWC的未来探测能力，基于更低的能量阈值、更高的观测时间占比和更快的响应时间，估算灵敏度的提升。
• 结合不同红移下多个源类（GRBs、AGN、脉冲星）的数据，以区分源内变异性与传播引起的能量延迟。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用高能伽马射线数据，对洛伦兹协变性破坏（LIV）在真空色散关系中的最强观测限制是什么？
• RQ2 伽马射线暴、活动星系核和脉冲星中能量依赖的时间延迟，如何约束二次LIV项而非线性项？
• RQ3 未来望远镜如切伦科夫望远镜阵列（CTA）和HAWC能在多大程度上改进对LIV的限制，并探测普朗克尺度？
• RQ4 在多个源类和红移下观测到的时间延迟差异，能否帮助区分本征源效应与LIV引起的传播效应？
• RQ5 LIV对伽马-伽马对产生阈值能量和电子-正电子系统中真空切伦科夫辐射有何影响？

主要发现

• 基于H.E.S.S.和MAGIC对两个AGN耀发的观测，LIV修正色散关系中的二次项被限制在6×10¹¹ GeV的尺度，优于Fermi-LAT对GRB观测的限制。
• VERITAS对蟹状脉冲星在>100 GeV能段的观测，对线性LIV项给出了3×10¹⁷ GeV的限制，为基于脉冲星的LIV测试设立了基准。
• 对蟹状星云中50 TeV伽马射线的观测表明，电子速度偏离真空光速的程度小于2×10⁻¹⁶，从而限制了亚光速LIV情景。
• 对Mkn 501中20 TeV伽马射线的观测，将超光速电子速度限制在小于1+1.3×10⁻¹⁵倍光速，降低了真空切伦科夫辐射的可能性。
• 未来望远镜如CTA预计可将二次LIV项的限制提升50倍，超越当前极限，有望直接探测普朗克尺度。
• 预计HAWC和CTA每年将探测到1至1.5个GRBs的甚高能段辐射，为通过爆发和余晖的时域分析提供新的LIV检验机会。