[論文レビュー] Environmental fifth-force hypothesis for the OPERA superluminal neutrino phenomenology: constraints from orbital motions around the Earth

Lorenzo Iorio|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2011

Noncommutative and Quantum Gravity Theories被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、OPERA超光速ニュートリノ異常に対する環境的第五力仮説を検討し、重力的起源のヤコビ型第五力のモデル化を行う。軌道力学を用いて結合定数パラメータ α の制約を導出し、月の近地点データを用いて |α| ≲ 4.5 × 10¹⁰ を得た。これはDvali-Vikmanモデルを超える任意のヤコビ型第五力状況に適用可能である。

ABSTRACT

It has been recently suggested by Dvali and Vikman that the superluminal neutrino phenomenology of the OPERA experiment may be due to an environmental feature of the Earth, naturally yielding a long-range fifth force of gravitational origin whose coupling with the neutrino is set by the scale M_*, in units of reduced Planck mass. Its characteristic length lambda should not be smaller than one Earth's radius R_e, while its upper bound is expected to be slightly smaller than the Earth-Moon distance (60 R_e). We analytically work out some orbital effects of a Yukawa-type fifth force for a test particle moving in the modified field of a central body. Our results are quite general since they are not restricted to any particular size of lambda; moreover, they are valid for an arbitrary orbital configuration of the particle, i.e. for any value of its eccentricity $e$. We find that the dimensionless strength coupling parameter alpha is constrained to |alpha| = 4 10^9 -1.6 10^10. The Moon perigee allows to obtain |alpha| = 3 10^10 - 4.5 10^10. Our results are neither necessarily limited to the superluminal OPERA scenario nor to the Dvali-Vikman model, in which it is M_* = 10^-6 at lambda = 1 R_e, in contrast with our bounds: they generally extend to any theoretical scenario implying a fifth-force of Yukawa-type.

研究の動機と目的

• OPERAの超光速ニュートリノ結果が、重力的起源の長距離第五力に起因する可能性を評価すること。
• テスト粒子の軌道力学を用いて、そのような第五力の結合強度を制約すること。
• Dvali-Vikmanモデルを超えて、任意のヤコビ型第五力状況に一般化すること。
• ニュートリノの素粒子物理学的現象に対する環境的第五力説明の妥当性を特定すること。

提案手法

• 中心重力場内におけるテスト粒子に作用するヤコビ型第五力の軌道的効果を解析的に計算する。
• 任意の離心率 e および力の範囲 λ に対して有効な、軌道の歳差および摂動の一般式を導出する。
• モデルを地球-月系に適用し、月の近地点を制約の基準点として用いる。
• 特徴的な長さ λ の境界として、地球の半径 R_e および地球-月距離（60 R_e）を用いる。
• 観測可能な軌道ずれに基づいて次元なしの結合パラメータ α を評価する。
• 形式的理論を一般の第五力状況および特定のOPERAニュートリノ異常状況に適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OPERAの超光速ニュートリノ結果は、重力的起源のヤコビ型第五力によって説明可能か？
• RQ2 月の軌道運動は、そのような第五力の結合強度にどのような制約を課すか？
• RQ3 力の範囲 λ および軌道離心率 e の異なる値に対して、導出された制約はどの程度一般化可能か？
• RQ4 Dvali-Vikmanモデルを超えて、他の理論的第五力状況へどの程度一般化できるか？
• RQ5 軌道データと整合性を保つために、結合パラメータ α の最大許容値は何か？

主な発見

• 一般の軌道的効果を考慮した場合、次元なしの結合パラメータ α は |α| ≲ 4 × 10¹⁰ に制約される。
• 月の近地点を用いることで、境界は |α| ≲ 4.5 × 10¹⁰ に厳しくなる。
• 導出された制約は任意の軌道離心率に対して有効であり、力の範囲 λ の特定の値を仮定しない。
• 結果は第五力の背後にある具体的なモデルに依存せず、任意のヤコビ型第五力に一般化して適用可能である。
• Dvali-Vikmanモデルが示唆する値よりもはるかに強い境界が得られている。特に λ = 1 R_e のとき M_* = 10⁻⁶ である。
• 解析により、環境的第五力説明は月の軌道力学からの強い観測的制約に直面することが示された。