[論文レビュー] Gravitational Interaction of Neutrinos in Models with Large Extra Dimensions

Fabbrichesi, M., Piai, M.+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2000

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、大規模な余剰次元を伴うモデルにおけるニュートリノの重力的相互作用を調査し、ボリューム内とブレーンに局在化した粒子の重力的結合定数の違いにより、重力が4次元ニュートリノ物理学における等価原理の有効な破れを引き起こす可能性があることを示している。太陽ニュートリノの振動において重力は通常弱いが、余剰次元のコンパクト化が非自明な場合、超高エネルギー宇宙ニュートリノやステアラニュートリノ物理学に顕著な影響を与える可能性があり、混合角の抑制やエネルギースペクトルの歪みを引き起こすことがある。

ABSTRACT

We discuss the interplay between direct constraints on non-Newtonian gravity and particle-physics bounds in models with large extra dimensions. Existing and future bounds and the most effective ways of further testing these models in gravitational experiments are compared and discussed.

研究の動機と目的

• 大規模な余剰次元モデルにおける重力的相互作用が、4次元ニュートリノ物理学において等価原理の有効な破れを引き起こすかどうかを検討すること。
• 特にボリューム内に存在するステアラニュートリノとコンパクト化された余剰次元を含む状況において、重力がニュートリノ振動に与える影響の関連性を評価すること。
• 高エネルギー領域において、重力的効果と弱い相互作用の強さを比較すること。
• 余剰次元と重力結合定数に関する実験的制約を評価し、重力的効果が観測可能になるパラメータ領域を特定すること。
• 特にステアラニュートリノモデルの文脈において、重力がニュートリノエネルギースペクトルと混合パラメータに与える現象論的影響を検討すること。

提案手法

• 標準模型の場が3-braneに局在化し、ボリューム内に存在するステアラニュートリノが高次元のボリュームを自由に移動する1つの大規模な余剰次元を、半径 R ∼ 100 µm の円にコンパクト化したモデルを分析する。
• カーラーツ＝カインの還元を適用して、質量を持つステアラニュートリノの塔が標準ニュートリノとディラック質量項 mD を介して結合する4次元有効理論を導出する。
• 余剰次元の影響で短距離で修正された重力ポテンシャルを、物質内における弱い相互作用ポテンシャルと比較し、有効結合定数 αG ∼ M5^2 / MPl^2 を用いる。
• 素粒子物理学、カシミール効果、キャベンディッシュ型実験からの実験的制約を評価し、余剰次元の大きさと重力の強さを制限する。
• 物質内におけるニュートリノ伝播に及ぼす重力ポテンシャルの影響を評価し、エネルギー依存性の効果と混合角の抑制に注目する。
• オーダーオブマグニチュードの推定を用いて、重力的効果が弱い相互作用と同等の大きさに達する条件、特に高エネルギー領域での可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力の通常の弱さを考慮しても、大規模な余剰次元モデルにおける重力的相互作用がニュートリノ物理学に観測可能な効果をもたらす可能性はあるか？
• RQ2 ブレーンに局在化した粒子とボリューム内に存在する粒子との間で重力結合定数が異なる条件は何か？ その結果、等価原理の有効な破れが生じるか？
• RQ3 素粒子物理学および重力実験からの実験的制約が、ニュートリノ物理学に関連する大規模な余剰次元モデルのパラメータ空間をどのように制限するか？
• RQ4 重力的効果がニュートリノ振動に与える大きさは何か？ 特に超高エネルギー宇宙ニュートリノにおいては？
• RQ5 コンパクト化が単純なトーラスコンパクト化を越えて複雑である場合、重力がステアラニュートリノ物理学に顕著な役割を果たす可能性はあるか？

主な発見

• 平坦なトーラスコンパクト化の最も単純な場合、太陽ニュートリノの振動における重力的効果は、関連性がないほど多くのオーダー小さくなる。
• 超高エネルギー宇宙ニュートリノでは、その特徴的なエネルギー依存性のおかげで重力的相互作用が顕著になり得る。その結果、有効な混合角の抑制が生じる可能性がある。
• M5 ≥ 1.2 TeV でコンパクト化スケール ρ ∼ 10−3 µm の場合、太陽ニュートリノエネルギー領域における重力結合定数 αG は最大で ∼10 に達する可能性がある。
• 素粒子物理学および非ニュートン的重力実験からの実験的制約により、パラメータ空間が制限され、特に δ = 1 の場合、コライダーおよびカシミール実験が最も感度が良い。
• コンパクト化が単純なトーラスを越えて非自明な場合（例：非自明なトポロジー）、重力が低エネルギーのステアラニュートリノ物理学に影響を与える可能性がある。ただし、すべての既存のステアラニュートリノの制約が満たされていることが前提である。
• このモデルは、重力がニュートリノエネルギースペクトルを歪め、振動解析における適合パラメータを変更するエネルギー依存性の追加ポテンシャルをもたらす可能性があることを示している。