[論文レビュー] Constraining Neutrino Velocities and Lorentz Invariance Violation in the Neutrino Sector using the IceCube PeV Neutrino Events

F. W. Stecker|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2013

Noncommutative and Quantum Gravity Theories被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、アイスキューブのペブネutrントリガーとカブスネビュラのフレアデータを用いて、ニュートリノ系におけるローレンツ不変性破れ（LIV）を制限する。到着時刻の差と真空チェレンコフ放射の制限を分析することで、超光速度ニュートリノ速度に対するきびしい上限値 δν ≤ 5.6×10⁻¹⁹ を導出し、SN1987Aの結果を著しく上回る。

ABSTRACT

The observation of two PeV-scale neutrino events reported by Ice Cube can, in principle, allows one to place constraints on Lorentz invariance violation (LIV) in the neutrino sector. After first arguing that at least one of the IceCube events was of extragalactic origin, I derive an upper limit for {\it the difference} between putative superluminal neutrino and electron velocities of $\le \sim 5.6 imes 10^{-19}$ in units where $c = 1$, confirming that the observed PeV neutrinos could have reached Earth from extragalactic sources. I further derive a new constraint on the superluminal electron velocity, obtained from the observation of synchrotron radiation in the Crab Nebula flare of September, 2010. The inference that the $>$ 1 GeV $\gamma$-rays from synchrotron emission in the flare were produced by electrons of energy up to $\sim 5.1$ PeV indicates the non-occurrence of vacuum Cerenkov radiation by these electrons. This implies a new, strong constraint on superluminal electron velocities $\delta_e \le \sim 5 imes 10^{-21}$. It immediately follows that one then obtains an upper limit on the superluminal neutrino velocity {\it alone} of $\delta_{ u} \le \sim 5.6 imes 10^{-19}$, many orders of magnitude better than the time-of-flight constraint from the SN1987A neutrino burst. However, if the electrons are {\it subluminal} the constraint on $|\delta_e| \le \sim 8 imes 10^{-17}$, obtained from the Crab Nebula $\gamma$-ray spectrum, places a weaker constraint on superluminal neutrino velocity of $\delta_{ u} \le \sim 8 imes 10^{-17}$.

研究の動機と目的

• 高エネルギー宇宙ニュートリノイベントを用いて、ニュートリノ系におけるローレンツ不変性破れ（LIV）を検証すること。
• 観測されたペブニュートリノが、LIVの下で銀河間起源である可能性を検討すること。
• アイスキューブのデータとカブスネビュラからのシンクロtron放射観測を組み合わせることで、超光速度ニュートリノ速度の制限を改善すること。
• 電子速度の制限が、ニュートリノの超光速度速度に対する境界に与える影響を評価すること。

提案手法

• 銀河間起源の高エネルギーニュートリノと光子の到着時刻の差を分析し、ニュートリノ系におけるLIVを仮定する。
• アイスキューブが観測したペブニュートリノイベントを用いて、少なくとも1つが銀河間起源であると推定し、LIVの制限を可能にする。
• カブスネビュラフレアにおける真空チェレンコフ放射の欠如を仮定し、電子速度を制限する。電子が最大5.1ペブのエネルギーを持つと仮定し、シンクロtronγ線を放出するとする。
• カブスネビュラフレアでの真空チェレンコフ放射の非観測から、超光速度電子速度の境界 δe ≤ 5×10⁻²¹ を導出する。
• 電子速度の制限を、ニュートリノが超光速度であると仮定して、関係式 δν ≤ δe + δν を用いてニュートリノ速度の境界に変換する。
• 電子が亜光速度である可能性を別途検討し、カブスネビュラスペクトルに基づいてδνの弱い境界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイスキューブのペブニュートリノイベントは、ニュートリノ系におけるローレンツ不変性破れの制限に利用可能か？
• RQ2 観測されたペブニュートリノイベントを踏まえて、ニュートリノと電子の間の最大許容超光速度速度差は何か？
• RQ3 カブスネビュラフレアからのシンクロtronγ線観測は、電子速度および、それによって生じるニュートリノ速度にどのように制限を加えるか？
• RQ4 電子速度の制限を適用した場合、超光速度ニュートリノ速度の上限は何か？
• RQ5 導出された境界は、SN1987Aニュートリノ観測による既存の制限と比べてどうか？

主な発見

• 分析により、アイスキューブのペブニュートリノイベントの少なくとも1つが銀河間起源であると確認され、LIVの制限が可能となった。
• ニュートリノが超光速度であると仮定した場合、超光速度ニュートリノ速度差に対するきびしい上限値 δν ≤ 5.6×10⁻¹⁹ が導出された。
• カブスネビュラフレアにおける真空チェレンコフ放射の欠如は、電子の超光速度速度に対する強い制限を示唆する：δe ≤ 5×10⁻²¹。
• この電子の制限は、直接的に δν ≤ 5.6×10⁻¹⁹ を示し、これはSN1987Aの到着時刻差制限よりも多数桁もきびしい。
• 電子が亜光速度であると仮定した場合、カブスネビュラスペクトルに基づいてδνの制限は弱まり、δν ≤ 8×10⁻¹⁷ となる。
• これらの結果は、特に電子速度制限を活用した場合、ニュートリノ系におけるLIVの境界を著しく改善したものであり、顕著な進展である。