[論文レビュー] OPERA, SN1987a and energy dependence of superluminal neutrino velocity

N. D. Hari Dass|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 27被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、OPERA協同研究が報告した超光速ニュートリノ速度のエネルギー依存性を検討し、SN1987aのニュートリノ到着時刻データと調和させることを目的としている。4次エネルギー依存性を示す滑らかな補間を提案し、超新星エネルギー領域におけるδv/cの4乗依存性を想定することで、OPERAの28.1 GeVデータとSN1987aの12秒間のクラスタリングと両立するものであり、エネルギーに依存しない、または線形にオフセットされた速度モデルがOPERAのエネルギー領域では良好にデータをフィットすることを示している。

ABSTRACT

This is a brief note discussing the energy dependence of superluminal neutrino velocities recently claimed by OPERA [1,2]. The analysis is based on the data provided there on this issue, as well as on consistency with neutrino data from SN1987a as recorded by the Kamioka detector [3]. It is seen that it is quite difficult to reconcile OPERA with SN1987a. The so called Coleman- Glashow dispersion relations do not do that well, if applied at all neutrino energies. The so called quantum gravity inspired dispersion relations perform far worse. Near OPERA energies both an energy-independent velocity, as well as a linear energy dependence with an offset that is comparable in value to the observed δv by OPERA at 28.1 GeV works very well. Our analysis shows that precision arrival time data from SN1987a still allow for superluminal behaviour for supernova neutrinos. A smooth interpolation is given that reconciles OPERA and SN1987a quite well. It suggests a fourth power energy dependence for δv of supernova neutrinos. This behaviour is insensitive to whether the velocities are energy-independent, or linearly dependent on energy, near OPERA scale of energies. Suggestions are made for experimental checks for these relations.

研究の動機と目的

• OPERAが報告した超光速ニュートリノ速度のエネルギー依存性が、SN1987aのニュートリノ検出における時間的制約と整合するかどうかを評価すること。
• 特にColeman-Glashow型および量子重力に由来する分散関係を含む、さまざまなエネルギー依存性を持つ分散関係が、OPERAおよびSN1987aの両データに対して妥当かどうかを評価すること。
• OPERAのエネルギー依存速度測定値とSN1987aの上限値を両立させるための素的補間モデルを提唱すること。
• 提案されたエネルギー依存性を実験的に検証する方法、特に異なるエネルギーおよび基準長での測定を提案すること。
• 超光速速度が確認された場合、ニュートリノの伝播、振動モデル、および相対性理論の基礎的原則に与える影響を検討すること。

提案手法

• 13.9、28.1、42.9 GeVでのOPERAの報告したδt値を分析し、δv/cのエネルギー依存性を推定する。
• 約10 MeVのエネルギー領域におけるSN1987aニュートリノ到着時刻データ（12秒間のクラスタリング）を用い、超光速速度の可能性を制約する。
• Coleman-Glashow型および量子重力に由来する分散関係の性能を検証し、両データセットを調和させることに失敗していることが判明。
• OPERAデータにのみ適合する線形フィット（オフセット付き）を実施し、質量スケール5×10³ TeVおよび切片2.0×10⁻⁵が得られ、OPERAのエネルギー範囲内で良好にフィットした。
• OPERAスケールの線形挙動とSN1987aの制限との間で滑らかな補間関数を構築し、δv/cにE⁴依存性を提案する。
• 素的公式を導出：δβ = δβ_OP × (E_GeV² / (E_GeV² + 1.0))² であり、これはOPERAとSN1987aの制限の間を補間する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OPERAが報告した超光速ニュートリノ速度のエネルギー依存性は、SN1987aの時間的制約と調和させられるか？
• RQ2 Coleman-Glashow型または量子重力に由来する分散関係は、OPERAおよびSN1987aの両データを適切に記述できるか？
• RQ3 OPERAのデータに適合し、SN1987aの到着時刻上限と両立するようなδv/cの素的エネルギー依存性は存在するか？
• RQ4 δv/cが非自明にエネルギー依存する場合、ニュートリノ振動モデルにどのような影響を与えるか？
• RQ5 将来的な実験は、超新星エネルギー付近でのδv/cのE⁴依存性をどのように検証できるか？

主な発見

• Coleman-Glashow型分散関係は、エネルギー依存性の予測が原因で、OPERAとSN1987aのデータを調和させることができない。
• 量子重力に由来する分散関係は、提案された補間モデルに比べて著しく性能が悪い。
• OPERAデータにのみ適合する線形フィット（オフセット付き）により、質量スケール5×10³ TeVおよび切片2.0×10⁻⁵が得られ、データに非常に良好にフィットした。
• 提案された補間モデルは、超新星エネルギー領域におけるδv/cに4乗依存性（E⁴）を予測しており、OPERAおよびSN1987aの両者と整合する。
• 1 GeVでは、28.1 GeVでのOPERAが報告した値の1/5にまでδv/cが低下し、高エネルギー領域での強いエネルギー依存性が示された。
• SN1987aの到着時刻上限は、依然として超光速ニュートリノ速度の可能性を許容しており、一部の仮定とは異なり、このような挙動を排除するものではない。