[論文レビュー] Probing neutrino masses with neutrino-speed experiments

Dharam Vir Ahluwalia, Sebastian P. Horvath+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2011

Neutrino Physics Research被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、因果律に反しない空間的分離（空間的隔たり）を伴う発生と吸収のイベントを記述できる形式的枠組みを構築した。この形式的枠組みにより、OPERAおよびICARUS実験への応用が可能となり、早期到着の検出確率が非ゼロであると予測されるが、OPERAでは60 nsのピークは観測されない。一方、ICARUSのデータは、マイクロエレクトロンボルト（μeV）程度のニュートリノ質量に対して空間的隔たりが成立することを支持しており、高精度なニュートリノ速度実験が絶対的ニュートリノ質量を決定する手がかりを提供する可能性を示唆している。

ABSTRACT

This paper explores whether quantum field theory allows the events of emission and absorption of a single particle to be separated by a space-like interval without violating Lorentz symmetries and causality. Although the answer is indeed affirmative, traditionally such effects have been considered negligible. We show that for sufficiently light mass eigenstates such processes can become significant over macroscopic length scales. A critical review of the historical literature reveals various shortcomings of the standard methods; specifically, one finds that they are restricted to states for which the expectation value of momentum vanishes. Furthermore, the results obtained here correct Feynman's analysis of this subject. A formalism is thus developed that allows the description of states with non-zero momentum, which is then applied to the OPERA and ICARUS neutrino-speed experiments. For OPERA we choose a mass in the nano electron-volt range and find that although our formalism predicts a non-zero detection probability for an early arrival time of 60 ns, the predicted event distribution is maximal on the light-cone. Consequently, our prediction does not reproduce the peak at 60 ns reported by the OPERA collaboration. Turning to the ICARUS experiment, we note that while the collaboration reported an average time of flight that is consistent with the speed of light, the event data with its associated uncertainties nevertheless indicates that some of the detection events are separated from their corresponding emission events by a space-like interval. For a micro electron-volt mass range, this is in agreement with the here reported formalism. We thus raise the possibility of employing high-precision neutrino-speed experiments to determine the absolute masses of neutrino mass eigenstates.

研究の動機と目的

• 空間的隔たり（空間的分離）が生じる粒子の発生と吸収の間に、ローレンツ対称性や因果律に反しない物理的整合性が保たれるかという長年の問題に取り組むこと。
• 従来の解析がゼロ運動量状態に限定されていたという限界を是正すること。
• 実験データに応用可能な、非ゼロ運動量を持つニュートリノ状態を記述できる形式的枠組みを構築すること。
• OPERA や ICARUS といった高精度なニュートリノ速度実験が、空間的隔たりのシグネチャーを通じて絶対的ニュートリノ質量を調べられるかを検証すること。
• フェインマンの解析を再評価し、量子場理論における非ゼロ運動量状態を含むように拡張すること。

提案手法

• 非ゼロ運動量を持つ単粒子状態を記述できる形式的枠組みを構築し、発生と吸収のイベント間に空間的隔たりが生じることを可能にする。
• 相対論的量子場理論を用いることで、イベントが空間的隔たりで分離してもローレンツ不変性と因果律が保たれるようにする。
• OPERA実験にこの形式的枠組みを適用し、ナノエレクトロンボルト（neV）程度のニュートリノ質量を仮定して、到着時刻の関数として検出確率を計算する。
• ICARUSでは、形式的枠組みを用いて飛行時間データを分析し、イベントが空間的隔たりで分離しているかどうかを評価する。
• モデルによりイベント分布を計算し、観測データと比較する。特にOPERAの60 nsの早期到着ピークに注目する。
• 光円錐への整合性とずれに注目し、検出確率分布の定量的予測を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子場理論において、ニュートリノ発生と吸収の間に空間的隔たりが生じる場合、ローレンツ対称性と因果律に物理的に整合することができるか？
• RQ2 なぜ標準的な解析がニュートリノ速度実験における非ゼロ運動量状態を考慮しないのか？
• RQ3 OPERA実験で報告された60 nsの早期到着ピークは、非ゼロ運動量を持つニュートリノに対する相対論的量子場理論形式的枠組みの予測と一致するか？
• RQ4 ICARUS実験の飛行時間測定値は、マイクロエレクトロンボルト（μeV）程度のニュートリノ質量に対して空間的隔たりが成立することを支持するか？
• RQ5 高精度なニュートリノ速度実験は、ニュートリノ質量固有状態の絶対的質量を決定するのに用いることができるか？

主な発見

• 形式的枠組みは、OPERA実験において早期到着時刻の非ゼロ検出確率を予測するが、イベント分布は60 nsではなく光円錐上にピークを示し、観測されたピークを再現できない。
• フェインマンの以前の取り扱いを補正し、非ゼロ運動量状態を含むように拡張したことで、従来除外されていた状態を正しく取り入れた。
• ICARUS実験では、誤差を含めたデータから、一部の検出イベントが発生イベントと空間的隔たりで分離していることが示唆される。
• ICARUSにおける空間的隔たりのシグネチャーは、提案された形式的枠組みのもとでマイクロエレクトロンボルト（μeV）レベルのニュートリノ質量と整合的である。
• これらの結果から、高精度なニュートリノ速度実験が、ニュートリノ質量固有状態の絶対的質量を決定する有効な手法である可能性が示唆される。