Límites de H.E.S.S. a la violación de la simetría de Lorentz

Por Francisco R. Villatoro, el 29 junio, 2016. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Relatividad • Science ✎ 2

Dibujo20160629 Log-likelihood profiles and confidence level exclusion limits for the ELIV arxiv

Las posibles violaciones de la simetría de Lorentz a alta energía se pueden estudiar usando fotones de alta energía. Dichas violaciones introducen una corrección que depende de la energía en la fórmula relativista para la energía de un fotón. El telescopio de rayos gamma H.E.S.S. acaba de publicar sus últimos límites de exclusión a estas violaciones. Las correcciones lineales se descartan hasta una energía de 2,29 veces la energía de Planck al 95% CL, es decir, para Eγ < 2,8 × 1028 eV. Las correcciones cuadráticas se descartan hasta una energía de 7,5 × 1020 eV al 95% CL. Estos límites son buenos, aunque no tanto como los obtenidos gracias a GRB090510 con el telescopio espacial Fermi.

El artículo es Matthias Lorentz, Pierre Brun, for the H.E.S.S. Collaboration, “Limits on Lorentz invariance violation at the Planck energy scale from H.E.S.S. spectral analysis of the blazar Mrk 501,” arXiv:1606.08600 [astro-ph.HE]. Sobre GRB090510 recomiendo en este blog “La importancia de un solo fotón (el más energético observado en una fuente de rayos gamma) en las violaciones de la relatividad especial,” 17 Ago 2009, y “Restricción experimental a la escala de energía de la espuma cuántica de Wheeler,” LCMF, 17 Mar 2015.

PS: Jorge S. Diaz, ‏@jsdiaz_, experto en la extensiones del modelo estándar que violan la simetría Lorentz, nos cuenta en Twitter que “lamentablemente estas “relaciones de dispersión modificadas” pueden traer problemas con QFT. Las violaciones de la simetría de Lorentz producen relaciones de dispersión modificadas, pero no cualquier relación de dispersión. La fórmula usada [con un exponente general] es lamentablemente muy popular, aunque no necesariamente correcta. Además, límites decenas de órdenes de magnitud más precisos se conocen del término lineal usando el CMB.” Gracias, Jorge.

Dibujo20160629 quadratic LIV Log-likelihood profiles and confidence level exclusion limits for the ELIV arxiv

La teoría de cuerdas es invariante Lorentz a todas las energías (una de sus grandes ventajas respecto a sus competidoras). Otras teorías para la gravedad cuántica, como la gravedad cuántica de lazos, predicen la existencia de una espuma cuántica en la escala de Planck, lo que implica violaciones de la simetría Lorentz a dichas energías. Una manera de explorar dichas violaciones es estudiar fotones de alta energía que se propagan en grandes distancias. El efecto de la espuma cuántica sobre su energía, aunque sea muy pequeño, se acumula poco a poco y podría producir un valor medible gracias a los telescopios de rayos gamma.

Dibujo20160629 Energy spectrum of Mrk 501 obtained from the HESS phase-I analysis arxiv

H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) es una matriz de cinco telescopios de tipo Cherenkov localizados a 1800 metros sobre el nivel del mar en Khomas Highland, Namibia. Estos telescopios rayos gamma detectas fotones con energías entre 100 GeV y 100 TeV. El nuevo resultado se ha obtenido estudiando un núcleo galáctico activo (AGN), el blázar Mrk 501, que tiene un desplazamiento al rojo de z = 0,034. Se han usado las observaciones de H.E.S.S. entre el 23 y 24 de junio de 2014, que han acumulado unos 1200 fotones durante unas dos horas totales. El espectro alcanza hasta ∼ 20 TeV y sigue la curva esperada según los modelos teóricos, lo que permite inferior las correcciones a la relación de dispersión de los fotones.

Dibujo20160629 exclusion limits energy spectrum of Mrk 501for eliv arxiv

El comportamiento de la curva de dispersión de los fotones de Mrk 501 corresponde a las predicciones de la teoría de la relatividad. Aún así, permite calcular límites para posibles violaciones de la simetría de Lorentz. Esta tabla resume los resultados para correcciones lineales (n=1) y cuadráticas (n=2) para la energía. Este último caso es el más interesante desde el punto de vista de la física más allá del modelo estándar, pero también el más difícil de estimar de forma experimental.

En resumen, un trabajo interesante que confirma lo que ya sabíamos de estudios anteriores, se descantan las correcciones lineales en la energía para los fotones. Pero también nos augura un futuro interesante, ya que se mejoran los límites actuales para las correcciones cuadráticas y nos hacen soñar con que gracias a ellas podremos algún día estudiar efectos asociados a la gravedad cuántica.



2 Comentarios

  1. Siempre he tenido la duda de si la teoría de cuerdas es sólo Lorentz invariante a todas las escalas de energía. Lo digo por ignorante ya que sólo he visto los modos “más fáciles” de cuantizar la teoría y recuerdo que el razonamiento (en libros introductorios) era el siguiente

    Trabajando canónicamente (como en Zwiebach y el inicio del libro de Green-Schwarz Witten)Se describe una cuerda relativista clásica (es decir aquí ya aceptamos como axioma que se respetan las relaciones de dispersión relativistas en su forma mínima ) y luego se cuantiza y se checa que la teoría resultante sea Lorentz Invanriante y la teoría de cuerdas lo es. O bien a la Gupta Bleuler (Como en GSW también) donde se cuantiza de forma manifiestamente covariante.

    ¿Cómo sabemos que la teoría de cuerdas es sólo Lorentz invanriante? es más… cuando se checa la invarianza de Lorentz en el formalismo canónico se hace sólo para los estados más bajos y de la cuerda (así se encuentra la dimensión crítica) pero la teoría de cuerdas es una teoría de alto espín ¿No hay un teorema de Witten y Weinberg que prohibe una teoría relativista en alto espín(mayor a dos) (bajo ciertas hipótesis)?… Lo dicho, seguramente se puede checar la invarianza en todo el espectro pero yo nunca he hecho el trabajo de cuantizarala en el formalismo BRST.

    Sigo pensando que es sutil.

    Además yo tenía entendido que cuando se equipa el espaciotiempo a una versión no-conmutativa hay problemas con la simetría de Lorentz ¿Qué pasa entonces con Matrix theory?.

    1. Ramiro, ¿la teoría cuántica de campos (QFT) es invariante Lorentz? Pues lo mismo con la teoría de cuerdas/teoría M (ST/MT). El modelo estándar es una QFT invariante Lorentz, pero se pueden construir modelos que no lo son. Lo mismo pasa con ST/MT, se pueden describir modelos invariantes Lorentz a todas las energías (caso de que así fuera la Naturaleza), o que dejan de serlo a cierta energía (si así es la Naturaleza).

      Tu duda proviene, como siempre pasa con la teoría de cuerdas, en a qué llamas teoría de cuerdas. En el régimen en el que puedes hablar de cuerdas en un espaciotiempo localmente plano, la teoría es invariante Lorentz a todas las energías (gracias a la mirror symmetry). Pero hay regímenes en la teoría M en la que no se puede hablar de cuerdas (por ejemplo en los modelos matriciales, que corresponden a partículas puntuales en un espaciotiempo con geometría no conmutativa) en los que se puede violar la invariancia Lorentz.

      Como siempre, todo depende del modelo cuerdístico que se considere. La teoría de cuerdas/teoría M puede describir modelos euclídeos y modelos más exóticos sin ningún problema. Pero lo importante es que no está sujeta a ninguna restricción, sólo lo que la Naturaleza demande.

      Por cierto, voy a escribir un post sobre teoría de cuerdas siguiendo a Witten en Physics Today que espero te aclare tu duda.

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