[論文レビュー] How large is the fraction of superluminal neutrinos at OPERA

Walter Winter|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、オペラ実験のデータにおける光より速く移動するニュートリノの割合を調査しており、その前提として、光より速く移動するのはスターリルニュートリノなどの一部のニュートリノに限ると仮定している。陽子波形の非線形構造を制約条件として用いることで、3σで最小17％の超光速ニュートリノ割合が得られ、これは完全にスターリルニュートリノモデルを否定するものであり、信号をぼかす系統的誤差の制限にも寄与する。

ABSTRACT

Various approaches aim to describe the recent analysis by the OPERA experiment, which indicates that neutrinos travel faster than the speed of light. We demonstrate that any such theoretical or experimental explanation must not destroy the complicated (nonlinear) structure of the proton waveform recovered in the neutrino signal. As one example, consider that only a fraction of the neutrinos travel faster than the speed of light, such as sterile neutrinos. We fit the OPERA data including this fraction as a free variable, assuming that the OPERA result is correct. In our analysis, the best-fit values are 50% of the neutrinos being superluminal and (v-c)/c = 4.5 10^{-5}, where the neutrino velocity increases as the fraction of superluminal neutrinos decreases. The minimal fraction of superluminal neutrinos is found to be 17% (3 sigma), which is constrained by the non-linearity of the proton waveform. This minimal fraction challenges the hypothesis that only sterile neutrinos travel faster than the speed of light. In addition, we demonstrate that an experimental effect introducing a smearing between the proton waveform and neutrino signal, as expected for some systematical errors, is also limited by the shape of the waveform. Finally, we illustrate that even stronger constraints may be obtained from the recent analysis with a short-bunch beam, in spite of the low statistics.

研究の動機と目的

• オペラ実験の異常な光より速い信号と整合する超光速ニュートリノの最小割合を特定すること。
• 陽子波形の制約下で、超光速行動を示すのは完全にスターリルニュートリノであるというモデルが妥当かどうかを評価すること。
• ニュートリノ信号と陽子波形との間で信号がぼやけるような系統的誤差が、陽子波形の非線形形状によってどのように制限されるかを評価すること。
• 将来の短パルスビームデータが、統計的サンプル数が少ないにもかかわらず、超光速ニュートリノ割合の制約を強化できるかどうかを検討すること。

提案手法

• 自由に変化する超光速ニュートリノの割合と、速度超過 (v−c)/c を変数とするモデルを用いて、オペラニュートリノ信号データにフィットする。
• 再構築された陽子波形が複雑な非線形構造を保つことを制約条件として課し、その構造を歪めるモデルは除外する。
• 陽子波形の観察された非線形性を、可能な系統的誤差や信号ぼかしの物理的上限として用いる。
• 統計的解析を用いて、特に3σレベルでの超光速ニュートリノ割合の信頼区間を導出する。
• 統計的サンプル数が少ないにもかかわらず、短パルスビームデータの結果が制約を強化できる可能性を検討する。
• 超光速ニュートリノの割合と速度超過 (v−c)/c の間の逆相関関係を示す、モデル内での相互作用を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オペラデータにおける陽子波形の非線形構造によって、超光速ニュートリノの最小割合はどの程度制限されるか？
• RQ2 スターリルニュートリノのみが超光速であるというモデルが、観測された波形制約と整合するか？
• RQ3 陽子波形とニュートリノ信号との間で信号がぼやけるような系統的誤差は、オペラ結果の解釈にどのように影響するか？
• RQ4 将来の短パルスビームデータは、超光速ニュートリノ割合の制約をどの程度強化できるか？
• RQ5 フィットモデルにおける超光速ニュートリノの割合は、速度超過 (v−c)/c にどのように依存するか？

主な発見

• 最良のフィットによる超光速ニュートリノの割合は50％であり、速度超過は (v−c)/c = 4.5 × 10⁻⁵ である。
• 陽子波形の非線形性のおかげで、3σの信頼水準で超光速ニュートリノの最小割合は17％に制限される。
• この最小割合は、スターリルニュートリノのみが超光速であるという仮説を挑戦するものであり、そのようなモデルでは観測された下限値未満の割合を要請してしまうためである。
• 陽子波形とニュートリノ信号との間で信号がぼやけるような系統的誤差は、同じ非線形波形構造によって制限される。
• 統計的サンプル数が少ないにもかかわらず、短パルスビーム解析は、超光速ニュートリノ割合の制約を強化する可能性を秘めている。
• 超光速ニュートリノの割合が減少するにつれて、速度超過 (v−c)/c は増加するため、モデル内にトレードオフの関係があることが示された。