[论文解读] Vacuum Cherenkov radiation for Lorentz-violating fermions

M. Schreck|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2017

Noncommutative and Quantum Gravity Theories被引用 5

一句话总结

本文研究了在最小标准模型拓展（SME）框架下，洛伦兹对称性破缺费米子的真空切伦科夫辐射，推导了自旋守恒与自旋翻转过程的衰变速率。研究发现，对于系数 $ ilde{c}$、$ ilde{d}$、$ ilde{e}$、$ ilde{g}$，其辐射具有阈值依赖性；而 $ ilde{b}$ 系数则导致自旋态衰变被抑制。利用宇宙射线数据，将上夸克系数约束在约 $10^{-23}$ 至 $10^{-12}$ 水平。

ABSTRACT

The current paper summarizes the content of a talk given on vacuum Cherenkov radiation emitted by Lorentz-violating fermions that are described in the context of the Standard-Model Extension. The decay rate will be obtained for various sets of controlling coefficients that will subsequently be constrained using cosmic-ray data.

研究动机与目标

• 研究在最小SME框架下，真空切伦科夫辐射作为洛伦兹对称性破缺费米子能量损失机制的机制。
• 推导在洛伦兹对称性破缺系数存在时，自旋守恒与自旋翻转（手征性衰变）过程的衰变速率。
• 利用观测到的超高能宇宙射线，约束费米子 sector 中的洛伦兹对称性破缺系数。
• 确定真空切伦科夫辐射作为量子场论中洛伦兹对称性破缺探测手段的理论可行性。

提出的方法

• 使用狄拉克拉格朗日量中的幂计数可重整化洛伦兹对称性破缺项，构建最小SME的费米子 sector。
• 分析不同控制系数（$\tilde{c}$、$\tilde{d}$、$\tilde{b}$ 等）的修正色散关系与质量壳，以确定光子发射的动力学可行性。
• 应用能量-动量守恒，计算自旋守恒与自旋翻转过程的衰变速率。
• 使用双对数图比较不同系数下的衰变速率，识别阈值行为。
• 利用皮埃尔·阿杰尔天文台观测到的212 EeV宇宙射线事件施加约束。
• 通过估算夸克层级能量分数（r = 0.1）与核子数（N = 56），推导上夸克系数的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，洛伦兹对称性破缺费米子可通过光子发射产生真空切伦科夫辐射？
• RQ2 在SME系数存在时，自旋守恒与自旋翻转过程的衰变速率有何差异？
• RQ3 真空切伦科夫辐射的动力学阈值是什么？其如何依赖于控制系数？
• RQ4 如何利用超高能宇宙射线观测来约束费米子 sector 中的洛伦兹对称性破缺系数？
• RQ5 真空切伦科夫辐射对高能宇宙射线探测具有何种现象学意义？

主要发现

• 由于能量守恒，维度为质量的系数 $a$、$b$ 和 $H$ 禁止真空切伦科夫辐射，但 $ ilde{c}$、$ ilde{d}$、$ ilde{e}$、$ ilde{g}$ 允许该过程。
• 自旋守恒过程的阈值动量与 $m_\psi / \sqrt{|\tilde{c}|}$ 成正比，且要求 $\tilde{c} < 0$ 才能发生辐射。
• 对于 $ ilde{d}$、$ ilde{e}$ 和 $ ilde{g}$，正负系数符号均可允许，因存在两条不同的色散分支。
• 手征性衰变（自旋翻转）因额外的洛伦兹破缺幂次而被抑制，并在高动量区域表现出先上升后下降的最大衰变速率。
• 利用212 EeV宇宙射线事件，本文约束出 $\tilde{c}^u - (3/8)(\tilde{f}^u)^2 > -3 \times 10^{-23}$，$|\tilde{d}^u| < 3 \times 10^{-23}$，以及 $|\tilde{e}^u|, |\tilde{g}^u| < 9 \times 10^{-12}$。
• 对 $\tilde{c}^u$ 的约束为单边，反映了该过程发生必须满足 $\tilde{c} < 0$ 的要求。