伽玛射线暴能谱时延对洛伦兹 不变性破缺的最新检验 报告者：魏俊杰 合作者：吴雪峰、张彬彬、邵琅、 高鹤、Peter Mészáros Purple Mountain Observatory, Chinese Academy of Sciences 2017-09-23 LHAASO合作组会议 中国.威海

伽玛暴的能谱时延 Spectral lag is defined as the arrival time delay between light curves in different energy bands (or between correlated photons with different energies). Cheng, L. X., Ma, Y. Q., Cheng, K. S., Lu, T., & Zhou, Y. Y., 1995, A&A; Norris et al. 1996; Band 1997; Shen et al. 2005; Lu et al. 2006; Ukwatta et al. 2010

Most GRBs show positive lags at low energy scales 传统的低能(<1 MeV)辐射滞后 Most GRBs show positive lags at low energy scales i.e, light curves at higher energies peak earlier than those at lower energies Shao et al. 2017, ApJ, 844, 126

低能辐射滞后的可能模型 Hard-to soft evolution of (2) The curvature effect the spectrum (2) The curvature effect However, the calculated cooling times based on simple synchrotron models are relatively small compared to the observed lags. However, some of the observed lags are negative, and therefore these lags present a real challenge for the simple curvature models. Ukwatta et al. 2012

In contrast to the positive lags of low energy emission, LAT高能（>100 MeV）辐射滞后 In contrast to the positive lags of low energy emission, GeV photons are found delayed with respect to MeV photons (i.e, negative lags) Long GRB 080916C Abdo et al. 2009, Science 323, 1688 Short GRB 090510 Abdo et al. 2009, Nature 462, 331 第一个LAT脉冲跟第二个GBM脉冲关联 高能辐射滞后时间: ~4-5秒 早期几个GBM脉冲阶段无LAT辐射 高能辐射滞后时间: ~0.1-0.2 秒

另外一方面，高能辐射滞后也有可能是由于 量子引力效应引起的 由于伽玛暴的能谱时延很短、光子能量很高、且发生在很远的宇宙学距离上，因此伽玛暴已被广泛地用来限制洛伦兹不变性破缺 (Amelino-Camelia et al. 1998; Coleman & Glashow 1999; Schaefer 1999; Ellis et al. 2003, 2006; Boggs et al.2004; Kahniashvili et al. 2006; Jacob & Piran 2008; Abdo et al. 2009a,b; Biesiada & Pi´orkowska 2009; Xiao & Ma 2009; Shao et al. 2010; Chang et al. 2012, 2016; Nemiroff et al. 2012; Ellis & Mavromatos 2013; Kosteleck´y & Mewes 2013; Vasileiou et al. 2013, 2015; Pan et al. 2015; Zhang & Ma 2015; Xu & Ma 2016; Wei et al. 2016……).

一个非加速物理系统在做洛伦兹坐标变换时， 洛伦兹不变性是爱因斯坦狭义相对论的基本假定: 一个非加速物理系统在做洛伦兹坐标变换时， 其中的相关物理规律不会改变 一些量子引力模型 (e.g., Amelino-Camelia et al. 1998, Nature) 预言“洛伦兹不变性”破缺 普 朗 克 尺 度 下 时 空 呈 “ 泡 沫 ” 化

洛伦兹不变性破缺 (LIV)后果是光子在真空中的 传播速度不再是光速，而是跟光子能量有关： v(E) ≠ c 洛伦兹不变性破缺造成的时间延迟 Ellis et al. (2003); Jacob and Piran (2008) 发生在 红移z 处的一 个暂现源 高能光子 (Eh) 观测者 z=0 低能光子 (El) n=1 线性LIV n=2 二阶LIV

长暴 GRB 080916C对LIV的限制 Abdo et al., 2009, Science, 323, 1688 利用单个GeV光子检验洛伦兹不变性 长暴 GRB 080916C对LIV的限制 Abdo et al., 2009, Science, 323, 1688 GBM触发16.5秒后探测到能量 达13.2GeV的最高能光子 线性LIV的保守下限 MQG> (1.55 +/- 0.04)×1018 GeV/c2 比以前用同类方法的最佳值还要 高1个量级，比普朗克能量低1个 量级 13.2 GeV @ T0+16.5 s min MQG (GeV) 1016 1017 1018 1015 1.8x1015 Pulsar (Kaaret 99) 0.9x1016 1.8x1017 0.2x1018 4x1016 GRB (Ellis 06) (Boggs 04) AGN (Biller 98) (Albert 08) GRB080916C Planck mass 1019 1.55x1018 1.2x1019 9

短暴 GRB 090510对LIV的限制 Abdo et al., 2009, Nature, 462, 331 利用单个GeV光子检验洛伦兹不变性 短暴 GRB 090510对LIV的限制 Abdo et al., 2009, Nature, 462, 331 最保守估计 : 能量为31GeV光子与触发的MeV光子在 暴源是同时发出的 Δt < 859 ms, MQG,1/Mplank > 1.19 最激进估计: 能量为31 GeV光子与几乎同时的<1 MeV 光子脉冲在暴源是同时发出的 Δt < 10ms, MQG,1/Mplank > 102 GRB 090510 min MQG (GeV) 1016 1017 1018 1015 1.8x1015 Pulsar (Kaaret 99) 0.9x1016 1.8x1017 0.2x1018 4x1016 GRB (Ellis 06) (Boggs 04) AGN (Biller 98) (Albert 08) GRB 080916C Planck mass 1019 1.55x1018 1.2x1019

利用伽玛暴GeV光子得到的EQG保守下限 GRB 080916C GRB 090510 Eh 13.2 GeV 31 GeV Δt 16.5 s 0.86 s EQG,1 (n=1) > 0.1 EPlanck >1.2 EPlanck EQG,2 (n=2) > 7.9x10-10 EPlanck > 2.7x10-9 EPlanck GRB 090510基本上排除了一阶（线性）LIV GRB 090510 min MQG (GeV) 1016 1017 1018 1015 1.8x1015 Pulsar (Kaaret 99) 0.9x1016 1.8x1017 0.2x1018 4x1016 GRB (Ellis 06) (Boggs 04) AGN (Biller 98) (Albert 08) GRB 080916C Planck mass 1019 1.55x1018 1.2x1019

Coincidence of a high-fluence blazar outburst with a PeV neutrino 利用高能中微子检验洛伦兹不变性 Coincidence of a high-fluence blazar outburst with a PeV neutrino Kadler et al. 2016, Nature physics PKS B1424 − 418（FSRQ）@ z = 1.522 2013年爆发，高能光子流量达 (30.5 ± 0.3) /cm^2, 是已知的河外天体在高能段最大的一次爆发 爆发期间，在同一天区IceCube探测到1个PeV中微子，偶然性概率0.05 (2σ) Fermi/LAT的观测，红线是PeV中微子到达时间 <160 d Credit： X.-Y. Wang

用高能中微子限制“洛伦兹不变性”破缺 Wang, Liu, Wang*(王祥玉), PRL 116, 151101 (2016) 一些量子引力模型 (e.g., Amelino-Camelia et al. 1998, Nature)预言“洛伦兹不变性”破缺： 光子 光子 光子 传播~90亿年 10^-33 cm 时空极小尺度结构 中微子 中微子 中微子 时空极小尺度结构 Credit： X.-Y. Wang

对洛伦兹不变性破缺的限制 洛伦兹不变性破缺预言“色散”现象 洛伦兹不变性破缺造成的时间延迟 n=1, n=2 ～(E/EQG)n (d/c) Wang, Liu, Wang, PRL 116, 151101 (2016) 洛伦兹不变性破缺预言“色散”现象 洛伦兹不变性破缺造成的时间延迟 n=1, n=2 ～(E/EQG)n (d/c) Blazar Flare neutrino SN 1987A neutrino GRB photons

可能的伽玛暴-TeV中微子成协事件对LIV的限制 Aartsen et al. 2016, ApJ, 824, 115 可能的伽玛暴-TeV中微子成协事件对LIV的限制 Wei, Wu, Gao, Meszaros, 2016, JCAP, 08, 031 GRB neutrino Blazar Flare neutrino SN 1987A neutrino GRB photons

Ellis et al. (2006)首次提出解决内禀时间延迟问题的方法 观测时间延迟: LIV效应造成的时间延迟: 内禀时间延迟: 其中 ,

内禀时间延迟问题 Ellis et al. 2006, Astroparticle Physics, 25, 402 15 GRBs low E band: 25 – 55 keV high E band: 115 – 320 keV 9 GRBs 11 GRBs Ellis et al. 2006, Astroparticle Physics, 25, 402

内禀时间延迟问题 考虑不同宇宙学模型对LIV限制的影响 Pan, Y., Gong, Y., Cao, S., Gao, H., & Zhu, Z.-H. 2015, ApJ, 808, 78

考虑Fermi/LAT观测到的GeV光子时间延迟 内禀时间延迟问题 考虑Fermi/LAT观测到的GeV光子时间延迟 Zhang & Ma 2015, Astroparticle Physics, 61, 108; Xu & Ma 2016, Astroparticle Physics, 82, 72

内禀时间延迟问题 缺点: 限制结果依赖于磁化喷流模型参数的选取 基于磁化喷流模型计算GRB的 内禀时间延迟： Chang, Jiang, & Lin 2012, Astroparticle Physics, 36, 47

Ellis et al. (2006) 方法的缺点 观测的固定2个能段转换到宇宙当地系 ->不同暴在当地系能段不同 ->内禀Lag无法彻底扣除! Ukwatta et al. 2012

GRB 160625B作为检验LIV的新探针 Zhang et al. 2016, arXiv:1612.03089; Wang et al. 2017, ApJ, 836, 81; Lv et al. 2017, arXiv:1702.01382

Wei, Zhang, Shao, Wu, Meszaros 2017, ApJL, 834, L13 GRB 160625B 的能谱延迟 Wei, Zhang, Shao, Wu, Meszaros 2017, ApJL, 834, L13

Lag (s) log E (keV) Lu et al. 2017, in preparation

GRB 160625B作为检验LIV的新探针 观测时间延迟: LIV效应造成的时间延迟: 内禀时间延迟: Wei, Zhang, Shao, Wu, Meszaros 2017, ApJL, 834, L13

GRB 160625B作为检验LIV的新探针 Wei, Zhang, Shao, Wu, Meszaros 2017, ApJL, 834, L13

利用伽玛暴能谱时延限制洛伦兹不变性破缺 Wei, Zhang, Shao, Wu, Meszaros, 2017, ApJL, 834, L13 审稿人高度评价: I feel this is a very valuable contribution to the emerging field of quantum-gravity phenomenology. The strategy of analysis proposed in the manuscript is novel and potentially very valuable: it allows to place conservative limits, which are a much bigger asset for the development of the field than the usual ‘conditional limits’. 认为此工作提出了新颖而且极具潜在价值的分析方法，对目前正在兴起的量子引力研究领域具有非常重要的贡献，并且相比通常采用的条件性限制，本方法对该领域的发展更有价值。

GRB 160625B作为检验LIV的新探针 观测时间延迟: LIV效应造成的时间延迟: 内禀时间延迟: Violations of Lorentz invariance are described by the Standard-Model Extension (SME), which is the comprehensive realistic effective field theory characterizing Lorentz violations. 观测时间延迟: LIV效应造成的时间延迟: (e.g., Colladay & Kostelecky 1997, 1998; Kostelecky 2004; Kostelecky & Mewes 2008, 2009) 内禀时间延迟: Wei, Wu, Zhang, Shao, Meszaros, Kostelecky, 2017, ApJ, 842, 115

LHAASO/WCDA限制LIV的前景 WCDA: Water Cherenkov Detector Array 探测面积 为104 m2 (@~100 GeV), ~ 105 倍LAT! 假设: GRB 能谱 β~2.3 , 对每个高能GRB， LAT可探测到~10个能量> 1 GeV 的光子 WCDA 探测到能量> 100 GeV 的光子数目应该为 因此， WCDA 完全有能力探测到高精度的高能(> 100 GeV ) GRB光变曲线。 LHAASO/WCDA 对LIV 的限制精度可再提高1-2 量级。

报告总结 利用最近国际冰立方中微子探测器IceCube团组声称的五个可能与伽玛暴成协的TeV中微子对一阶和二阶LIV作出了高精度的限制。 GRB 160625B是迄今为止唯一一个能谱时延数据丰富、存在从正延迟转变到负延迟特征的伽玛暴，我们提出GRB 160625B的能谱时延拐折特征可对LIV作出全新的限制。 我们认为 既来自 的贡献，又来自 的贡献，并且假设 和光子能量呈现正相关。通过对GRB 160625B能谱时延数据的拟合，我们对一阶、二阶LIV作出了强有力的保守限制。 我们还首次给出了内禀时间延迟关于光子能量的合理表达式。 未来LHAASO/WCDA对GRB的观测可显著提高LIV的限制精度。 谢谢!