[論文レビュー] Quantum Gravity effect on neutrino oscillations in a strong gravitational field

J. Miller, Roman Pasechnik|arXiv (Cornell University)|May 20, 2013

Neutrino Physics Research被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、強い重力場におけるエネルギーの高い重力子が、重力子-ニュートリノ散乱を通じてニュートリノのフレーバー状態における量子デコherenceを引き起こすと提案している。これは弱い相互作用によるデコherenceと類似している。この効果は、質量固有状態への重力子結合に起因し、宇宙からのニュートリノのフレーバー組成に測定可能な変化をもたらす。これにより、ニュートリノ振動観測を通じて高エネルギー重力子の間接的検出が可能になる。

ABSTRACT

In the framework of quantum field theory, a graviton interacts locally with a quantum state having definite mass, i.e. the gravitational mass eigenstate, while a weak boson interacts with a state having definite flavor, i.e. the flavor eigenstate. An interaction of a neutrino with an energetic graviton may trigger the collapse of the neutrino to a definite mass eigenstate with probability expressed in terms of PMNS mixing matrix elements. Thus, gravitons would induce quantum decoherence of a coherent neutrino flavor state similarly to how weak bosons induce quantum decoherence of a neutrino in a definite mass state. We demonstrate that such an essentially quantum gravity effect may have strong consequences for neutrino oscillation phenomena in astrophysics due to relatively large scattering cross sections of relativistic neutrinos undergoing large-angle radiation of energetic gravitons in gravitational field of a classical massive source (i.e. the quasi-classical case of gravitational Bethe-Heitler scattering). This graviton-induced {\it decoherence} is compared to {\it decoherence} due to propagation in the presence of the Earth matter effect. Based on this study, we propose a new technique for the indirect detection of energetic gravitons by measuring the flavor composition of astrophysical neutrinos.

研究の動機と目的

• 強い重力場におけるニュートリノ振動に及ぼす量子重力効果の影響を調査すること。
• 重力子がニュートリノと相互作用することで、弱いボソンの相互作用と同様にフレーバー固有状態におけるデコherenceが誘発されるかどうかを検討すること。
• ニュートリノ伝播中の地球の物質によるデコherenceと比較して、重力子誘発デコherenceを検討すること。
• 宇宙からのニュートリノのフレーバー組成測定を用いて、高エネルギー重力子の間接的検出の新規な手法を提案すること。

提案手法

• 量子場理論を用いて、古典的重力場内における相対論的ニュートリノとエネルギーの高い重力子の相互作用をモデル化すること。
• 大角度の重力子放出を記述するために、準古典的重力的ベーテ＝ハイトリル過程を適用すること。
• ニュートリノ状態が重力子と相互作用した際に質量固有状態への崩壊確率を表すために、PMNS混合行列を用いること。
• 強い重力場内における相対論的ニュートリノの重力子放出の散乱断面積を計算すること。
• 重力子相互作用によるデコherence率と、ニュートリノが地球の物質を通過する際のデコherence率を比較すること。
• 重力子誘発デコherenceに起因するニュートリノフレーバー組成の変化に現れる観測可能なシグネチャーを導出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い重力場内における重力子-ニュートリノ相互作用が、ニュートリノフレーバー状態の測定可能なデコherenceを引き起こすか？
• RQ2 古典的質量源が存在する状況下で、相対論的ニュートリノによる重力子放出の断面積はどのようにスケーリングするか？
• RQ3 重力子誘発デコherenceと地球の物質によるデコherenceの相対的大きさはどの程度か？
• RQ4 宇宙からのニュートリノのフレーバー組成を用いて、高エネルギー重力子の存在を推定できるか？
• RQ5 ニュートリノ振動における他のデコherenceメカニズムと区別するための観測可能なシグネチャーは何か？

主な発見

• 重力子相互作用により、ニュートリノフレーバー状態における量子デコherenceが生じ、状態が明確な質量固有状態に崩壊する。その確率はPMNS混合行列要素によって支配される。
• 強い重力場内における相対論的ニュートリノによる大角度重力子放出の散乱断面積は比較的大きく、測定可能な効果をもたらす。
• 重力子誘発デコherenceは、強い重力場を通る宇宙からのニュートリノのフレーバー組成に測定可能な変化をもたらす。
• 重力子によるデコherence効果の大きさは、地球の物質による効果と同等であり、観測可能である可能性がある。
• 本研究では、重力子誘発デコherenceに起因する宇宙ニュートリノのフレーバー比のずれを分析することで、高エネルギー重力子の新しい間接的検出手法を提案している。