[論文レビュー] Mass-dependent Lorentz Violation and Neutrino Velocity

Miao Li, Tower Wang|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2011

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 17被引用数 17

ひとこと要約

この論文は、高エネルギー実験（MINOS、OPERA）では光速を超えるニュートリノ速度が観測されるが、低エネルギー実験（SN 1987A、フェルミラブ）では観測されないという矛盾を解消する質量依存のローレンツ対称性の破れモデルを提案する。ニュートリノの有効質量がエネルギーに応じて変化する非ユニバーサルでフレーバーに敏感な質量-エネルギー関係の変形を許容することで、GeVエネルギー領域での超光速的挙動を説明しつつ、SN 1987Aの厳密な制約と整合性を保つことが可能になる。

ABSTRACT

Motivated by a recent and several earlier measurement results of the neutrino velocity, we attempt to resolve the apparent discrepancies between them from the viewpoint of mass-energy relation in special relativity. It is argued that a complicated tachyonic neutrino model or a mass-dependent Lorentz violation theory can do this job.

研究の動機と目的

• 相対論的枠組みの中で、超光速ニュートリノ速度測定（OPERA、MINOS）と亜光速の結果（フェルミラブ、SN 1987A）の乖離を解消すること。
• エネルギーに依存する質量を持つタキオン的ニュートリノモデルが観測された速度異常を説明できるかを調査すること。
• ローレンツ対称性の破れが粒子種に依存し、エネルギースケールに依存するように変更された質量-エネルギー関係を探索すること。
• 実験的制約を満たすために、ユニバーサル（民主的）モデルと比較して、種に依存する（判別的）モデルがどれほど有効であるかを評価すること。

提案手法

• ローレンツ対称性を質量に依存する方法で破る変形関数 f(λ) を用いた修正された質量-エネルギー関係を導入する。
• 負の二乗質量を持つタキオン的ニュートリノモデルを分析し、エネルギーに依存する質量の変化なしではすべてのデータを整合させることが不可能であることを示す。
• エネルギーに依存する有効ニュートリノ質量を提案：m²_ν(E) = m²_ν(0) - (E²/c⁴) × δ_ν × exp[ -ε_ν (E²_cν/E² + E²/E²_cν) ]、これにより通常粒子とタキオンの挙動の間を遷移可能にする。
• モデルをユニバーサル（民主的）と種に依存する（判別的）タイプに分類し、実験的制約との整合性がより高いことから、後者を優遇する。
• 文献に由来する4つの主要なニュートリノ速度測定結果に一致するよう、モデルパラメータを現象論的にフィッティングする。
• ニュートリノが約17 GeV（OPERA）および約3 GeV（MINOS）で超光速的になる一方で、約10 MeV（SN 1987A）では亜光速のままであることを説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定された質量を持つタキオン的ニュートリノモデルは、OPERAおよびMINOSでの観測された超光速的ニュートリノ速度と、SN 1987Aの亜光速制約を両立させることができるか？
• RQ2 質量依存のローレンツ対称性の破れのシナリオは、ニュートリノ速度測定のエネルギー、フレーバー、基準長の依存性をどのように説明できるか？
• RQ3 ユニバーサル（民主的）ローレンツ対称性の破れモデルは実現可能か、それとも実験的制約を満たすために、種に依存する（判別的）モデルが必要か？
• RQ4 観測された速度異常を再現しつつ、SN 1987Aのデータと整合性を保つために、どのような関数形のエネルギー依存質量の変化が必要か？
• RQ5 特殊相対性理論における質量-エネルギー関係の非ユニバーサルかつエネルギー依存の変形が、物理的にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 固定された負の二乗質量を持つ標準的なタキオン的ニュートリノモデルでは、SN 1987Aの厳しい制約により、すべての実験的データを整合させることが不可能である。
• エネルギーに依存する有効ニュートリノ質量を持つモデル、m²_ν(E) = m²_ν(0) - (E²/c⁴) × δ_ν × exp[ -ε_ν (E²_cν/E² + E²/E²_cν) ] は、パラメータ m_ν(0) = 10⁻¹ eV/c²、ε_ν = 0.01、δ_ν = 5×10⁻⁵、E_cν = 5 GeV の下で、OPERAおよびMINOSのデータをうまくフィットする。
• 変動する質量モデルは、エネルギーが増加するに従い、ニュートリノが通常粒子からタキオンへ、再び通常粒子へと遷移することを予測しており、E_cν ≈ 5 GeV の近辺で二乗質量がゼロを通過する。
• このモデルは、GeVエネルギー領域（OPERA: (v−c)/c ≈ 2.48×10⁻⁵、MINOS: (v−c)/c ≈ 5.1×10⁻⁵）での超光速的ニュートリノ速度を説明しつつ、SN 1987Aの制約 |v−c|/c < 2×10⁻⁹ と整合性を保つ。
• 粒子種に依存する（判別的）モデル—ローレンツ対称性の破れが粒子種に依存する—は、ユニバーサル（民主的）モデルよりもより現実的であり、異なる粒子に対して独立に調整可能である。
• このモデルは、ローレンツ対称性の破れが時空構造の根本的破れではなく、物質場のダイナミクスに起因する可能性を示唆し、根本的対称性の破れとは異なる現象論的に整合性のある代替案を提供する。