在天文观测中寻找由洛伦兹破坏导致的真空双折射现象

(本文为AstroLeaks试稿第13篇,感谢北京大学邵立晶同学的投稿,这是我们收到的第一篇介绍自己工作的投稿,我们也非常愿意把这里作为各位同学交流自己学术工作的平台;欢迎就文章形式,难度,排版等各种问题发表您的意见!)

标题: Lorentz violation induced vacuum birefringence and its astrophysical consequences
作者: Lijing Shao, Bo-Qiang Ma
论文索引: astro-ph:1104.4438
编辑供稿: 邵立晶 ( 北京大学 )

主要背景:

在理论物理中,大家努力追求一种统一,试图用尽量少的参数、用一个相同的理论,来描述各种现象底下的物理规律。经过了几百年的努力,现在的理论物理的框架是标准模型广义相对论,一个用来描述粒子世界,一个用来描述引力世界。

当然,野心勃勃的理论物理学家自然就想要把两个框架做成一个,即成为 Theory of Everything (TOE)。但是,却遇到了诸多的困难,甚至面临着没有出路的境地——标准模型和广义相对论中的基本假设存在着不可调和的矛盾!这就需要放松某个或者某些假设。洛伦兹对称性破缺的理论出发点正在于此 [2,3,4,5,6,7,9,11,12]。

洛伦兹对称性是用来描述时空的基本对称性的,但有不少“量子引力”的理论却预言了它的微小的破缺,如弦论 [2,3]、圈量子引力 [4]、双狭相对论等 [5,12];破缺受到普朗克能量的压低。

物理学作为一门实验科学,所有的这些“胆大妄为”的理论都应当接受观测的检验 [2]。可是,洛伦兹破坏的能标如此之高(10^19 GeV),根本就是实验所不可及的。幸运的是,天文中的超长传播距离给我们提供了一个天然的放大的机制 [2,4,6,7,8,10]。

工作介绍:

我们的文章使用 Refs. [4,8] 的框架,在圈量子引力的经典近似下,讨论了光子传播过程中可能出现的真空双折射现象 [1]。真空双折射(Vacuum Birefringence)说的是,由于量子引力的效应,左右旋的光子的传播速度不同。这分为两个内容:群速度的不同与相速度的不同 [1]。前者会导致两种模式到达地球有个时间差 [1,4],参见图1和图2;而后者,会导致原本极化的光子在传播一段时间后,相位变得混乱,而出现退极化 [1,8],参见图3。另一方面,天文上对于这两个现象的零观测 (null observation),可以给予量子引力理论参数一个限制。


fig1

Fig.1: 波包到达地球时的双峰现象(see Ref. [1] for details.)


fig2

Fig.2: 波包到达地球时的双峰现象,与图1参数不同(see Ref. [1] for details.)


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Fig.3: 波包到达地球时的退极化现象(see Ref. [1] for details.)

如,新近出炉的关于天鹅座的 Cygnus X-1 的黑洞的观测中,我们测到了 400 keV – 2 MeV 的伽玛光子的偏振现象,极化度为 67 +/- 30% [14]。通过引入洛伦兹破坏的参数,我们可以看到这样,即使在源处 100% 极化的光子,经过一定传播后,极化度也会下降,见图4。而观测到的极化将给出洛伦兹破坏参数的限制,即给出无量纲的洛伦兹破坏参数要小于 8.7 10^-12。该限制是已知的来自于除伽马射线暴(GRB)外的最好限制,比来自Crab脉冲星 [13,15] 的限制要好两个数量级(see Table I in Ref. [1])。当然,由于GRB的超远距离的优势,它的限制来得更强些,比我们的好两个数量级 [10]。可是,该GRB的距离是未知的,是通过光谱而推断出来的,所以可信度并不如我们的高。


fig4

Fig.4: 即使是在源处 100% 极化的光子,传播到地球时的极化度也会降低,图为谱平均后的线性偏振度随洛伦兹破坏参数 \chi&s=-2 的变化。Cygnus X-1 给出的限制是 67 +/- 30% [14],从而把洛伦兹破坏参数限制到了 8.7 10^-12

正所谓“crazy ideas need more firm observations”。洛伦兹破坏理论的兴起与弦论、圈量子引力等不同,它是直接面向实验与观测的。但到现在为止,各个方面都还没有观测到洛伦兹破坏的明确证据。可一旦观测到洛伦兹破坏,这将是我们对于时空认识的又一次革命(recall:牛顿的绝对时空观->狭义相对论的平直洛伦兹时空观->广义相对论的弯曲时空观)。如果洛伦兹破坏观测不到,则是实验对弦论等“量子引力”理论的重大挑战。

参考文献:

  • [1] L. Shao and B.-Q. Ma, arXiv:1104.4438
  • [2] G. Amelino-Camelia, J. R. Ellis, N. E. Mavromatos, D. V. Nanopoulos, S. Sarkar, Nature 393, 763-765 (1998).
  • [3] D. Colladay, V. A. Kostelecky, Phys. Rev. D58, 116002 (1998). [hep-ph/9809521].
  • [4] R. Gambini, J. Pullin, Phys. Rev. D59, 124021 (1999). [gr-qc/9809038].
  • [5] G. Amelino-Camelia, Int. J. Mod. Phys. D11, 35-60 (2002). [gr-qc/0012051].
  • [6] L. Shao, B. -Q. Ma, Mod. Phys. Lett. A25, 3251-3266 (2010). [arXiv:1007.2269 [hep-ph]].
  • [7] L. Shao, Z. Xiao, B. -Q. Ma, Astropart. Phys. 33, 312-315 (2010). [arXiv:0911.2276 [hep-ph]].
  • [8] R. J. Gleiser, C. N. Kozameh, Phys. Rev. D64, 083007 (2001). [gr-qc/0102093].
  • [9] Z. Xiao, L. Shao, B. -Q. Ma, Eur. Phys. J. C70, 1153-1164 (2010). [arXiv:1011.5074 [hep-th]].
  • [10] F. W. Stecker, [arXiv:1102.2784 [astro-ph.HE]].
  • [11] L. Shao, B. -Q. Ma, [arXiv:1006.3031 [hep-th]].
  • [12] X. Zhang, L. Shao, B. -Q. Ma, Astropart. Phys. 34, 840-845 (2011). [arXiv:1102.2613 [hep-th]].
  • [13] A. J. Dean, D. J. Clark, J. B. Stephen, V. A. McBride, L. Bassani, A. Bazzano, A. J. Bird,
    A. B. Hill et al., Science 321, 1183-1185 (2008).
  • [14] P. Laurent et al., Science 332, 438 (2011) [arXiv:1104.4282 [astro-ph.HE]].
  • [15] L. Maccione, S. Liberati, A. Celotti, J. G. Kirk, P. Ubertini, Phys. Rev. D78, 103003 (2008).
    [arXiv:0809.0220 [astro-ph]].
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    20 Replies to “在天文观测中寻找由洛伦兹破坏导致的真空双折射现象”

    1. TrekLu

      首先请允许我Orz…
      再问个白痴的问题,造成真空双折射的‘量子引力’的来源是什么?比如说是来自释放光子的黑洞还是来自传播路径上的天体?

    2. 边福彦

      为了给出对‘无量纲的洛伦兹破坏参数’足够的限制,对天体(比如GRB)距离的测量要精确到多少?

        • 边福彦

          你文章里面提到‘可是,该GRB的距离是未知的,是通过光谱而推断出来的,所以可信度并不如我们的高’。还有一个问题就是这个距离是怎么距离?

          • Lijing Shao

            对啊,由于远近不知,故可信度不如我们的高。这个距离的具体公式是08年JCAP上才给出的:U. Jacob, T. Piran, JCAP 0801, 031 (2008). [arXiv:0712.2170 [astro-ph]].

            • ZhiyuZhang

              对高能没什么了解, 问几个小白问题.

              零观测 (null observation) 是没有人进行过观测, 还是没有测到明显信号(只能给出上限, non-detection) 的意思?
              另外一点, 退极化是否只有真空双折射才能做到? 是否还有其他的物理途径也可以产生类似的退极化的结果?
              “远近不知”具体是什么意思? 不知道距离的意思? 我也和边福彦一样, 对这个问题很疑惑. 我大概看了一下JCAP的这篇文章距离公式, 不太理解这个公式/方法比传统的使用光谱红移得到的宇宙学距离(是叫cosmological distance? )的优点在哪里. 为什么可信度不如新方法高?

            • Lijing Shao

              零观测 (null observation) 是没有人进行过观测, 还是没有测到明显信号(只能给出上限, non-detection) 的意思?

              > 这里零观测指观测了,但没有观测到。

              另外一点, 退极化是否只有真空双折射才能做到? 是否还有其他的物理途径也可以产生类似的退极化的结果?

              > 其它过程也有,如法拉第旋转,但法拉第旋转正比于波长平方,由于这里是gamma-ray,故计算后发现无影响。可见

              “远近不知”具体是什么意思? 不知道距离的意思? 我也和边福彦一样, 对这个问题很疑惑. 我大概看了一下JCAP的这篇文章距离公式, 不太理解这个公式/方法比传统的使用光谱红移得到的宇宙学距离(是叫cosmological distance? )的优点在哪里. 为什么可信度不如新方法高?

              > 对,GRB041219A不知道距离。新公式考虑了不同模式的光子跑了不同的宇宙(因为宇宙在膨胀),所以在能量依赖的指数上与cosmological distance对1。

    3. Mingyi Zhang

      请问这里所指的洛伦兹对称性破坏所指的具体意义是什么? 时空自己的洛伦兹协变性的破坏, 还是某些物理过程的洛伦兹对称性的破坏? 谢谢.

    4. astrolemei

      关于那个洛伦兹破坏参数,其定义是否依赖于具体的破坏模型?因为文中提到了多种理论都预言了一定程度的洛伦兹破坏。

      图4是否只能提供洛伦兹参数的上限,而不能提供有关下限的信息(即使测量误差可以做到很小)?

      • Lijing Shao

        这里使用的是无量纲的参数,故对模型基本没有依赖。

        对,只有上限;尚无任何洛伦兹破坏的迹象。

    5. novae

      Gamma光子的偏振观测怎么做的?gamam光子的似乎是光子计数呀.
      中途介质/磁场什么的有没有可能改变光子的偏振呢?

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