[論文レビュー] An Interpretation of "Superluminal Neutrino" Compatible with Relativity in the Framework of Standard Model

Noboru Nakanishi|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、分散したクォークから成る媒体によって真空中の光の速度 $c_0$ が相対論的真の速度 $c$ よりも遅くなると仮定することで、OPERA実験が観測した光速を超えるニュートリノの結果を相対性理論と調和させることを提案する。量子色力学（QCD）における色閉じ込め条件を修正することで、標準模型や相対性理論に反することなくニュートリノ速度の異常を説明し、SN1987Aのニュートリノ観測や他の高エネルギー実験とも整合する。

ABSTRACT

According to the measurement of muon-neutrino experiment done by the OPERA collaboration, the speed of high-energy neutrino exceeds that of light in vacuum by 25ppm. Assuming that this result is correct, a possible resolution of the dilemma between it and the validity of relativity is proposed without changing the framework of the Standard Model of elementary particles. The essential idea is based on a possible resolution, proposed previously, of the color confinement problem of quantum chromodynamics.

研究の動機と目的

• OPERA実験による光速を超えるニュートリノの結果と特殊相対性理論の間にある表面的な矛盾を解消すること。
• 測定された光の速度 $c_0$ を真の相対論的光速 $c$ よりも小さく再解釈することで、標準模型および相対性理論の有効性を保つこと。
• テーキオンや標準模型を超える新しい物理を導入することなく、異常を説明すること。
• 特にSN1987Aのニュートリノ爆発がニュートリノ質量と伝搬速度を制約するのと整合すること。
• フェルミやHERAの光速に関する矛盾する実験結果を、地球付近に存在する局所的な分散クォークの媒体によって説明すること。

提案手法

• 標準の宇井-小笠原条件に加えて $Q^a|\text{phys}\rangle = 0$ を追加することで、QCDにおける色閉じ込め条件を拡張し、すべての色荷を持つ状態が物理的でないことを保証する。
• 電荷を有するクォークで構成される分散クォークの雲が、光の速度を $c_0 < c$ に遅くする媒体として作用するが、ニュートリノには影響しないと提案する。
• 真の光の速度 $c$ が相対論的定数であるのに対し、$c_0$ はクォークが豊富な媒体中での実験的測定速度であると仮定する。
• 運動論的関係式 $v = c \sqrt{1 - (c_0/c)^2}$ を用いて、OPERAの結果からニュートリノ速度を導出し、$v - c_0 \approx 25$ ppm の結果を得る。
• SN1987Aにこのモデルを適用する際には、クォーク雲が高密度領域（例：地球や超新星）に局在していると仮定し、ニュートリノは主に真空中を伝播するとする。
• $c_0 < v < c$ の条件下で、超光速ニュートリノに静止系が存在するため、テーキオン的または因果律的パラドックスを回避できることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OPERA実験による超光速ニュートリノの観測結果は、標準模型に反しない形で特殊相対性理論と調和させられるか？
• RQ2 テーキオンや新たな基本粒子を導入せずに、$c_0 < c$ となる物理的メカニズムは存在するか？
• RQ3 SN1987Aのニュートリノ観測結果がニュートリノ速度と質量を制約するのと、このモデルはどのように整合するか？
• RQ4 SLAC やフェルミなどの高エネルギー実験は、$c_0$ が遅いという仮説と矛盾しないか？
• RQ5 一部の実験で観測された光の速度のエネルギー依存性は、地球付近の局所的クォーク雲媒体によって説明可能か？

主な発見

• OPERAの結果 $ (v - c_0)/c_0 = 2.48 \pm 0.28 \pm 0.30 \times 10^{-5} $ は、$c_0 < v < c$ の条件下では相対性理論と整合する。ここで $c$ は真空中の真の光速である。
• モデルはニュートリノ速度が $c_0$ を25 ppm超過することを予測し、因果律に反することなくOPERAの測定結果と整合する。
• クォーク雲が地球および超新星付近に局在していると仮定すれば、SN1987Aのニュートリノ観測結果はモデルと整合する。
• クォーク雲が全路線にわたって存在すると仮定した場合、ニュートリノ質量の上限は $m \approx 85$ keV となるが、これは既知の質量制限に反するため、雲は局在的でなければならない。
• HERAのデータで観測された光の速度のエネルギー依存性は、このモデルによって説明可能である。一方、フェルミの観測ではそのような依存性が認められないのは、地球付近の局所的媒体によるものと説明できる。
• SLAC実験は、クォーク雲が除去された領域で実施されたため、この文脈では $c_0 = c$ であり、矛盾は生じない。