[論文レビュー] Astrophysical consequences of the OPERA superluminal neutrino

Luis Gonzalez‐Mestres|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 29

ひとこと要約

本稿は、OPERA実験が報告した光速を超えるミュオンニュートリノ速度の天体物理学的整合性を検討し、このような結果がパイオングリッドや陽子における物理的に不可能なローレンツ対称性の破れを引き起こし、光子放出や自発的対生成といった禁じられた崩壊過程を生じさせることを示している。解析の結論として、OPERAの結果は既知の天体物理学的および素粒子物理学的制約と矛盾しており、実験的誤差または誤解釈の可能性が高い。

ABSTRACT

A simple discussion of the recent OPERA result on the apparent critical speed of the muon neutrino is presented. We point out in particular some of the possible consistency problems of such an interpretation of the OPERA data with respect to well-established astrophysical observations.

研究の動機と目的

• OPERA実験が報告した光速を超えるミュオンニュートリノ速度の天体物理学的整合性を評価すること。
• 光速よりも速いニュートリノ臨界速度の異常が、既知の素粒子物理学および天体物理学的観測と調和可能かどうかを検討すること。
• このような臨界速度の異常がハドロンおよび電荷を帯びたレプトンにどのように伝播するかを調査すること。
• 高エネルギー宇宙ニュートリノフラックスおよび光子崩壊過程に与える影響を評価すること。

提案手法

• 臨界速度 $ c_X \neq c $ を持つ粒子をモデル化するため、修正されたローレンツ型エネルギー運動量関係を用いた相対論的運動論を用いる。
• パイオン崩壊に対してエネルギーおよび運動量保存則を適用し、$ c_\nu > c $ の場合のニュートリノ運動量に上限を導出する。
• 仮定された $ \delta c $ 異常に基づき、パイオンおよび陽子による自発的光子放出の閾値を計算する。
• 同じ異常仮定のもとで、高エネルギーニュートリノによる電子・陽電子対放出の閾値を評価する。
• 予測された崩壊閾値と観測された宇宙線エネルギーおよび天体物理学的フラックスを比較する。
• OPERAの結果が既知の素粒子物理学および天体物理学的制約と整合するかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OPERAが報告した光速を超えるニュートリノ速度は、高エネルギー宇宙ニュートリノおよび光子の既知の天体物理学的観測と整合可能か？
• RQ2 ニュートリノ臨界速度が光速より $ \sim 2.5 \times 10^{-5}c $ 速い場合、パイオンおよび陽子の崩壊にどのような影響があるか？
• RQ3 ニュートリノにおける臨界速度の異常は、必然的にハドロン系に伝播するのか？ その観測可能な結果は何か？
• RQ4 宇宙線における自発的光子崩壊の観測がないことと、OPERAの結果は調和可能か？
• RQ5 高エネルギーニュートリノによる $ e^+e^- $ 対放出の非観測が、$ \delta c(\nu) $ の大きさにどのような制約をもたらすか？

主な発見

• ニュートリノ臨界速度異常 $ \delta c(\nu)/c = 2.5 \times 10^{-5} $ は、パイオン崩壊の運動量に上限 $ p_\nu \leq 14 \, \text{GeV}/c $ をもたらし、高エネルギーニュートリノフラックスを抑制する。
• もし $ \delta c(\pi) \approx \delta c(\nu) $ ならば、パイオンの自発的光子放出が $ \sim 32 \, \text{GeV} $ 以上で可能となり、天体物理学的観測と矛盾する。
• 陽子臨界速度異常 $ \delta c(p)/c \approx 10^{-6} $ ならば、$ \sim 700 \, \text{GeV} $ 以上で自発的光子放出が可能となり、観測された宇宙線エネルギーと矛盾する。
• 負の $ \delta c(p) \approx -10^{-6}c $ ならば、$ \sim 1 \, \text{TeV} $ 以上で光子が陽子・反陽子対に崩壊するが、これは観測されていない。
• わずか $ \delta c(p)/c \approx 10^{-8} $ の小さな異常でも、そのような過程の閾値は観測された宇宙線エネルギー以下に位置し、整合性がないことを示唆する。
• データが示唆する程度の異常よりも著しく小さい場合を除き、OPERAの結果は標準的素粒子物理学および天体物理学的観測と調和できない。