[論文レビュー] OPERA Collaboration have observed phase speed of neutrino wave function

Shi-Yuan Li|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2011

Neutrino Physics Research被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、中間子の崩壊による波動関数の変形のため、OPERA共同研究グループがニュートリノ波動関数の位相速度を測定した可能性があると提案している。これは、飛行中のパイオンの有限な寿命が、100ナノ秒の時間的進みを引き起こす可能性があるという単純化されたモデル（ブリルアンの研究にインspiredされたもの）を用いて示されている。ニュートリノ生成イベントがまれな状況では、観測された異常と一致する。

ABSTRACT

First we call the attention that velocity defined by ratio between some intervals of space and time respectively is sometimes ambiguous, in the framework of quantum theory. Velocity in general is not possible to be well defined as some generator of certain space-time symmetry operation. Then in section 3 by analyzing the OPERA experiment we show that the OPERA Collaboration may have measured the phase speed of the neutrino wave function. Employing a very (maybe too) simple model which is just a reproduction from Brillouin's classical book, we demonstrate the phase velocity and group velocity. These are just a qualitative illustration rather than aiming to quantitively explain the OPERA data. However, how to rigorously define the phase containing the particle production ordering information as a space-time distribution observable in QFT needs more investigations. Due to the finite life time of the pions (w.r.t. its flying time in the 1 km long tunnel) which decay to the muon neutrinos, the wave form for neutrinos recorded by OPERA is deformed from that of the proton. Such an effect is estimated to lead to an advanced time displacement of the order of 100ns, which coincides with the measured. Such an effect can only be significant when measuring phase speed and the recorded neutrino events per extraction of proton smaller than one, as the OPERA case.

研究の動機と目的

• OPERA実験におけるニュートリノ速度の異常測定が、群速度ではなく位相速度に起因する可能性を検討すること。
• 量子理論における速度の定義の曖昧さ、特に時空対称性の生成子としての役割を検討すること。
• 飛行中の有限なパイオン寿命がニュートリノ波動関数に与える歪みと、計測時刻への影響を調査すること。
• このような歪みが、OPERAで観測された100ナノ秒の時間的進みを示す信号を生じうるかどうかを評価すること。
• 粒子生成順序を記述する量子場理論（QFT）における位相を含む観測量の明確な定義の必要性を強調すること。

提案手法

• 波動関数の伝播の観点からOPERA実験のデータを分析し、位相速度と群速度を区別すること。
• 波パケットの古典的取り扱い（ブリルアンの研究に由来）に基づく単純化モデルを適用し、位相速度と群速度の挙動を説明すること。
• CNGSビームラインを1 km飛行するニュートリノ波動関数が、パイオン崩壊の影響で変形するとモデル化すること。
• プロトン抽出あたりのイベント数が少ない条件下で、有限なパイオン寿命が飛行時間に対して与える時間的ずれを推定すること。
• 実際のOPERA設定と同様に、プロトン抽出あたりの記録されたニュートリノイベント数が1未塔の条件に焦点を当てる。
• 定量的QFT計算に依存せず、波動関数の変形の定性的な考察により、観測された100ナノ秒の時間的進みを説明すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OPERAの異常は、群速度ではなくニュートリノ波動関数の位相速度によるものと説明できるか？
• RQ2 パイオンの有限な寿命が、飛行中のニュートリノ波動関数の形状と時刻にどのように影響するか？
• RQ3 なぜ、プロトン抽出あたりの記録されたニュートリノイベント数が1未塔のときのみ、時間的進みの信号が顕著に現れるのか？
• RQ4 波動関数の変形が、見かけ上の光速超過ニュートリノ速度を生じる役割を果たすか？
• RQ5 特に生成順序に関して、量子場理論における位相を、時空分布としての観測量として厳密に定義する方法は何か？

主な発見

• OPERA共同研究グループがニュートリノ波動関数の位相速度を測定した可能性がある。これは、パイオン崩壊による波動関数の変形のためである。
• 1 kmの飛行中に有限なパイオン寿命が生じることで、ニュートリノ波動パケットの時間的進みが約100ナノ秒に及ぶ。
• この時間的進みの効果は、プロトン抽出あたりのイベント数が1未塔であるような低イベントレート条件下でのみ顕著である。
• 観測された100ナノ秒の異常は、波動関数にパイオン崩壊の影響が及ぶことによる推定時間ずれと整合的である。
• 位相速度の効果は高レートの状況では検出できないため、異常は高統計的条件下では観測されなかったことの説明がつく。
• 本研究は、粒子生成順序を記述する量子場理論における位相を含む観測量のより厳密な定義の必要性を強調している。