Impacts of Lorentz invariance violation on particle acceleration and emission

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Francisco, Matheus Duarte
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-28042025-104043/
Resumo: Einsteins theory of relativity, along with Lorentz invariance, forms a cornerstone of modern physics. A potential violation of Lorentz symmetry could point the way towards a quantum gravity model. However, the effects of such a violation are expected to be minimal, becoming significant only at extreme energy scales. This work aims to utilize ultrahigh- energy cosmic rays to study the limits of this symmetry, specifically addressing the gap in understanding the effects of Lorentz Invariance Violation on acceleration processes. In this study, first and second-order Fermi mechanisms were analyzed, and to incorporate Lorentz invariance violation, a modified dispersion relation and an altered Lorentz factor were used. The second-order mechanism exhibited a shift in the spectral index and a reduction in acceleration time. On the other hand, the first-order mechanism showed significant suppression in the particle energy spectrum, prompting a comparison with the spectrum observed by the Pierre Auger Observatory. Furthermore, synchrotron and inverse Compton energy loss processes were investigated from the perspective of symmetry breaking. Using first-order acceleration as a baseline and applying the one-zone model, the effects on both the charged particle spectrum and photon emission spectrum were explored. For synchrotron radiation, an energy barrier was obtained, along with a notable suppression in the charged particle and photon spectra. The inverse Compton model revealed significant suppression in the particle spectrum and the emergence of a new high-energy photon emission region beyond current expectations. This new emission region was compared with data from Markarian 501, and an illustrative contrast of the integrated spectrum in this region was made with the photon flux limits set by the Pierre Auger Observatory.
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spelling Impacts of Lorentz invariance violation on particle acceleration and emissionImpactos da quebra de invariância de Lorentz na aceleração e emissão de partículasAceleração de partículasGravidade quânticaLorentz invariance violationParticle accelerationQuantum gravityQuebra de invariância de LorentzUHECRUHECREinsteins theory of relativity, along with Lorentz invariance, forms a cornerstone of modern physics. A potential violation of Lorentz symmetry could point the way towards a quantum gravity model. However, the effects of such a violation are expected to be minimal, becoming significant only at extreme energy scales. This work aims to utilize ultrahigh- energy cosmic rays to study the limits of this symmetry, specifically addressing the gap in understanding the effects of Lorentz Invariance Violation on acceleration processes. In this study, first and second-order Fermi mechanisms were analyzed, and to incorporate Lorentz invariance violation, a modified dispersion relation and an altered Lorentz factor were used. The second-order mechanism exhibited a shift in the spectral index and a reduction in acceleration time. On the other hand, the first-order mechanism showed significant suppression in the particle energy spectrum, prompting a comparison with the spectrum observed by the Pierre Auger Observatory. Furthermore, synchrotron and inverse Compton energy loss processes were investigated from the perspective of symmetry breaking. Using first-order acceleration as a baseline and applying the one-zone model, the effects on both the charged particle spectrum and photon emission spectrum were explored. For synchrotron radiation, an energy barrier was obtained, along with a notable suppression in the charged particle and photon spectra. The inverse Compton model revealed significant suppression in the particle spectrum and the emergence of a new high-energy photon emission region beyond current expectations. This new emission region was compared with data from Markarian 501, and an illustrative contrast of the integrated spectrum in this region was made with the photon flux limits set by the Pierre Auger Observatory.A teoria da relatividade de Einstein, juntamente com a invariância de Lorentz, constitui um dos pilares da física moderna. Uma possível violação da simetria de Lorentz poderia apontar o caminho para a criação de um modelo de gravidade quântica. No entanto, espera-se que os efeitos de tal violação sejam mínimos, tornando-se significativos apenas em escalas de energia extremas. Este trabalho tem como objetivo utilizar raios cósmicos de ultra-alta energia para estudar os limites dessa simetria, abordando especificamente a lacuna no entendimento dos efeitos da Violação da Invariância de Lorentz nos processos de aceleração de astropartículas. Neste estudo, foram analisados os mecanismos de Fermi de primeira e segunda ordem, de forma que uma relação de dispersão modificada e uma alteração no fator de Lorentz foram utilizadas para incorporar a quebra de simetria. O mecanismo de segunda ordem apresentou uma mudança no índice espectral e uma redução no tempo de aceleração. Já o mecanismo de primeira ordem mostrou uma supressão significativa no espectro de energia das partículas, o que levou a uma comparação com o espectro observado pelo Observatório Pierre Auger. Além disso, os processos de perda de energia por radiação síncrotron e Compton inverso foram investigados sob a perspectiva da quebra de simetria. Utilizando o mecanismo de aceleração de primeira ordem como referência e aplicando o modelo de uma zona, foram explorados os efeitos tanto no espectro de partículas carregadas quanto no espectro de emissão de fótons. Para a radiação síncrotron, uma barreira energética foi obtida, além de uma notável supressão nos espectros de partículas carregadas e fótons. O modelo de Compton inverso revelou uma supressão significativa no espectro de partículas e o surgimento de uma nova região de emissão de fótons em altas energias, acima do que é atualmente esperado. Essa nova região de emissão foi comparada com os dados de Markarian 501. Um contraste ilustrativo do espectro integrado dessa nova região para uma população de blazares do tipo BL Lac foi feito com os limites de fluxo de fótons estabelecidos pelo Observatório Pierre Auger.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPSouza Filho, Luiz Vitor deFrancisco, Matheus Duarte2025-02-19info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-28042025-104043/reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USPLiberar o conteúdo para acesso público.info:eu-repo/semantics/openAccesseng2025-05-05T13:11:02Zoai:teses.usp.br:tde-28042025-104043Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212025-05-05T13:11:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
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