[論文レビュー] Comments on the recent velocity measurement of the muon neutrinos by the OPERA Collaboration

J. Ciborowski, Jakub Rembieliński|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、オペラ共同研究の超光速ミュオンニュートリノに関する主張に反論し、観測された60 nsの早期到着が、パイオン崩壊測定と整合する質量を持つタキオン的ニュートリノでは説明できないと主張する。ローレンツ共変なタキオン形式とアインシュタイン同期化を用いて、この結果を説明するには約120 MeVのタキオン的質量が必要であると示し、これは測定されたミュオンニュートリノ質量の二乗値 -0.016 ± 0.023 MeV²と矛盾する。したがって、タキオン的解釈は一貫性を欠く。

ABSTRACT

We argue that the result quoted by the OPERA Collaboration cannot be interpreted as simply related to the muon neutrino moving at a superluminal velocity from the point of creation at CERN to the point of interaction at LNGS.

研究の動機と目的

• オペラ共同研究の超光速ニュートリノ結果を、タキオン的ミュオンニュートリノの証拠として解釈する物理的妥当性を評価すること。
• 観測された60 nsの早期到着が、整合的な質量パラメータを持つタキオン的ニュートリノモデルで説明可能かどうかを検討すること。
• 静止したパイオンからの崩壊による既知のニュートリノ質量測定とオペラの測定結果を一致させること。
• 時計同期法（アインシュタイン同期法対絶対的同期法）が、超光速粒子の到着時刻測定の解釈に与える影響を評価すること。
• 因果律やローレンツ不変性を破らないまま、観測信号を説明できるような特異なタキオン崩壊過程が存在するかどうかを検討すること。

提案手法

• 因果律を保ち、真空不安定性を回避するため、絶対的同期を用いたローレンツ共変なタキオン場理論を用いて超光速粒子を記述する。
• タキオン的エネルギー運動量関係 E = κ / √(v² - 1) を用い、測定された速度超過 Δv = 2.48×10⁻⁵ からタキオン的質量 κ を計算する。
• 導出されたタキオン的質量（κ ≈ 120 MeV）を、パイオンの静止崩壊から得られた実験的ミュオンニュートリノ質量の二乗（m²_ν = -0.016 ± 0.023 MeV²）と比較する。
• GPSを用いたオペラ実験と整合性を持つように、地球のフレームでアインシュタイン同期化を用いて到着時刻分析を行う。
• t → tγ や t → t t̄ などの可能性のあるタキオン崩壊経路を検討し、高エネルギーのタキオンが検出可能なミュオンニュートリノに崩壊する可能性を検討する。
• トリチウムベータ崩壊におけるタキオン的電子ニュートリノの先行研究をレビューし、近い将来のKATRIN測定結果による検証を想定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オペラの超光速ミュオンニュートリノ結果は、タキオン的枠組み内で一貫して解釈可能か？
• RQ2 観測された730 kmの距離で60 nsの早期到着を説明するには、どの程度のタキオン的質量が必要か？
• RQ3 導出されたタキオン的質量は、静止したパイオンからの崩壊で測定されたミュオンニュートリノ質量の二乗と整合するか？
• RQ4 特異なタキオン崩壊過程が、因果律やローレンツ不変性を破らずに信号を説明できるか？
• RQ5 異なる時計同期法が、超光速状況における到着時刻測定の解釈にどのように影響を与えるか？

主な発見

• オペラの結果を説明するには、速度超過 Δv = 2.48×10⁻⁵ から導かれるタキオン的質量が約120 MeVである。
• このタキオン的質量は、タキオン的質量の二乗として約0.014 GeV²に相当するが、これはパイオンの静止崩壊から測定されたミュオンニュートリノ質量の二乗値 -0.016 ± 0.023 MeV²と矛盾する。
• 測定された質量の二乗値を持つニュートリノは、730 kmの距離を通過する際に光より約7×10⁻¹⁴秒早く到着するが、これは実験的分解能をはるかに超えるため、観測された60 nsのずれをこれで説明することは不可能である。
• この結果は、CERNからLNGSへの直接的なタキオン的ミュオンニュートリノの伝播では、観測された効果を説明できないことを示唆する。
• t → tγ や t → t t̄ などの特異なタキオン崩壊過程が、代替的説明を提供する可能性はあり、ただし詳細な分析が必要である。
• 本研究は、アインシュタイン特殊相対性理論の枠組みが亜光速粒子に対して依然として有効であることを再確認する。タキオンの発見が理論を否定するものではなく、絶対的同期を用いた一貫したローレンツ共変形式が採用されていれば、理論は成立する。