[論文レビュー] Can Neutrinos Probe Extra Dimensions?

Vladimir Ammosov, G.G. Volkov|ArXiv.org|Aug 3, 2000

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 11被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、高エネルギー中性子ビームが、余剰次元の性質に応じて光速からのずれを示すことで、余剰次元を調べられると提案している。余剰次元が大きい場合、超光速のニュートリノ速度が生じる。逆に、余剰次元が小さい場合、真空フォームによる効果により亜光速の速度低下が生じる。CERNの実験が加速器で生成されたニュートリノを用いて、これらの効果を検証可能であり、長基準長実験やビームダンプ実験は、現在の限界を超えた速度異常を検出可能である。

ABSTRACT

We conjecture that the topological structure of the gauge symmetries required by the Calabi-Yau vacuum and the dualities in string/D-branes considered in the world with some additional dimensions can lead to an extension of the main principles of the Special Theory of Relativity. The link between the topological structure of the vacuum and the, hierarchy of the gauge symmetries could be checked by the existence of the ``almost massless'', ''sterile'' particles. These particles could have flying properties different from the standard predictions of the STR. It is natural to consider this property for neutrinos, known up to now ``$U(1)_{em}$ sterile'' particles. Here we discuss two such effects depending on the possible existence of large and/or small extra dimensions and what is the maximal speed for both cases. The effect of large extra dimensions can be directly connected with the existence of a hidden boost, $c_{hid} >> c_{em}$, excited by new global dimensions and can lead to the monotonous rise of the neutrino velocity at high energies, $v_ν > c$. The effect of small extra dimensions, universal with respect to all particles, can be connected with the gravitation recoils of the propagation of neutrino in the space-time vacuum-foam and it leads to the effect of diminishing the neutrino velocity at high energies. We propose to check these conjectures for neutrinos of different energies and species. Limits for existing neutrino data and expected sensitivities of possible experiments for accelerator - produced neutrinos are considered. It is pointed out that CERN has the unique opportunity of measuring the indicated effects.

研究の動機と目的

• ニュートリノが光速からのずれを示すことによって、余剰次元を調べる可能性を検討すること。
• カラビ＝ヤウのコンパクト化における位相的構造と弦の双対性が、ゲージ対称性および新しい時空対称性の出現にどのように関与するかを調査すること。
• 隠れたブーストや真空フォーム相互作用といった新しいグローバル効果を、高エネルギーニュートリノ実験によって検出可能かどうかを評価すること。
• 既存および計画中の実験が、余剰次元の大きさに応じたニュートリノ速度のずれに対して、どの程度感度を持つのかを評価すること。
• CERNが、加速器ベースのニュートリノビームを用いて、これらの効果を測定できる独自の施設であるかを特定すること。

提案手法

• カラビ＝ヤウ多様体の位相的構造と弦の双対性が、ゲージ対称性および新しい時空対称性の出現に与える影響を理論的枠組みで提示する。
• 2つの状況を分析する：(1) 非コンパクト化された余剰次元が大きい場合、隠れたブースト $c_{\text{hid}} \gg c_{\text{em}}$ が生じ、エネルギーが高くなるにつれてニュートリノ速度が単調に増加する；(2) 小さなコンパクト化された余剰次元が、時空の真空フォームにおける重力的反動効果を引き起こし、エネルギーが高くなるとニュートリノ速度が低下する。
• 光速からのずれを定量化するため、ニュートリノ速度パラメータ $\Delta\beta = \beta_\nu - \beta_c$ を用いる。ここで $\beta = v/c$ である。
• 時間飛行測定を用いて実験的感度を評価し、時間分解能が約200–250 psのビームバッチおよび検出器を想定する。
• FNAL、SN87A、WANFのビームダンプ、LHCのビーム・ビーム、および長基準長実験などのさまざまな実験の感度を、$\delta\beta = E/M$ および $\delta\beta = E^2/\tilde{M}^2$ の仮説のもとで比較する。
• 超高エネルギーのニュートリノが、ガンマ爆発星や活動銀河核などの天体的源から生成される可能性を推定し、もし不活性物質が関与するならば、$\Delta\beta \sim 10^{-16}$ のスケールを調べられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギーニュートリノは、余剰次元が大きいまたは小さい場合に、光速からの速度のずれを示す可能性があるか？
• RQ2 カラビ＝ヤウのコンパクト化における位相的構造と弦の双対性は、ゲージ対称性および新しい時空対称性の出現にどのように影響するか？
• RQ3 隠れたブースト（余剰次元が大きい場合）や真空フォーム効果（余剰次元が小さい場合）に起因するニュートリノ速度異常を検出できる実験装置は何か？
• RQ4 異なる理論的モデルのもとで、既存および計画中の実験がニュートリノ速度のずれに対してどの程度感度を持つのかを比較できるか？
• RQ5 CERNで実施される実験、特に高強度ビームまたはビーム・ビーム衝突を用いた実験は、これらの予測を検証するのに必要な精度に達することができるか？

主な発見

• 余剰次元が大きい場合、隠れたブースト $c_{\text{hid}} \gg c_{\text{em}}$ のため、ニュートリノ速度はエネルギーとともに単調に増加し、光速を超える可能性がある（$v_\nu > c$）。
• 余剰次元が小さい場合、時空の真空フォームにおける重力的反動効果により、エネルギーが高くなるとニュートリノ速度が低下し、$v_\nu < c$ になると予想される。
• 長基準長実験（例：NuFact）では、$\delta\beta = E^2/\tilde{M}^2$ の場合、感度が $\Delta\beta \sim 3 \times 10^{-10}$ に達すると予想され、SN87Aの限界を超える。
• WANFおよびLHCビーム・ビームのビームダンプ実験では、ニュートリノの種別や統計に応じて、$\sim 1.5 \times 10^{-6}$ から $2.5 \times 10^{-6}$ の感度が得られると予想される。
• 50 ktの検出器を備えたLHCビーム・ビーム実験では、バニリラ、W、Zの崩壊から生じる $\nu_\mu$、$\nu_e$、$\nu_\tau$ に対して、感度が $\sim 2.5 \times 10^{-6}$ に達すると予想される。
• ガンマ爆発星や活動銀河核などの天体的源から生成される超高エネルギーニュートリノは、$\Delta\beta \sim 10^{-16}$ のスケールに達する可能性があり、不活性物質が関与する場合、極端なエネルギースケールを調べられる。