[論文レビュー] Quantum-Mechanics of $ u$ and GSI oscillations for pedestrians : Relativistic quantum field theory is useless

Harry J. Lipkin|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2010

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、GSI実験におけるK捕獲崩壊の揺らぎを用いて、相対論的量子場理論を用いずにニュートリノ質量差を測定するアプローチを提案する。運動量空間における異なる質量および運動量を持つニュートリノ状態の干渉的重ね合わせを分析することで、モデルはKAMLANDデータと10%以内に一致する揺らぎ周期を予測し、ニュートリノ検出が質量差の測定に不要であることを示している。

ABSTRACT

GSI experiment studying oscillations in K-capture decay of radioactive ion investigates neutrino masses and mixing without detecting neutrino. Even when neutrino is not detected quantum mechanics relates initial and final states. The basic physics is very simple. Neutrinos emitted in beta decay are coherent linear combinations of states with different masses, different momenta and same energy. Since the weak interaction producing the neutrino conserves momentum, the initial state before the transition must also contain a coherent linear combination of states with the same momentum difference and a well defined relative magnitude and phase. A one-particle state with a definite momentum difference also has an easily calculated energy difference. In the time interval between creation of the ion and its decay a linear combination of two states with different energies oscillates in time. Measuring the oscillation period gives a value for the difference between squared neutrino masses of the two neutrino mass eigenstates. The value obtained from a crude approximation with no free parameters for this two-slit or which path experiment in momentum space differs by less than 10% from the result observed in the KAMLAND experiment. Observing only ion disappearance without detecting neutrino avoids signal suppression by low neutrino absorption cross section

研究の動機と目的

• K捕獲崩壊実験において、直接的なニュートリノ検出を要せずニュートリノ質量差を調査すること。
• 相対論的量子場理論を用いずに、運動量空間におけるニュートリノ揺らぎを記述できる量子力学のみで、ニュートリノ揺らぎを説明できることを示すこと。
• 崩壊におけるイオンの消失が、ニュートリノ質量分裂の代理指標として機能できることを示すこと。
• 異なる運動量およびエネルギーを持つ質量固有状態の干渉的重ね合わせに基づく、簡単でパラメータフリーのニュートリノ揺らぎモデルを提供すること。
• 初期状態および最終状態の運動量空間におけるコherー二ティのみを用いて、GSI実験で観測された揺らぎ周期を説明すること

提案手法

• 初期状態を、同じエネルギーで、明確な運動量差を持つ2つのニュートリノ質量固有状態の干渉的重ね合わせとしてモデル化する。
• 弱い相互作用が運動量を保存することを原則として適用し、2つの運動量状態間の相対位相および大きさが明確に定まっていることを要求する。
• 運動量および質量差に基づいて、2つの状態間のエネルギー差を計算する。
• 重ね合わせ状態の時間発展を用いて、イオン生成から崩壊までの時間間隔における揺らぎ周期を導出する。
• 揺らぎ周期を、ニュートリノ質量の二乗差に直接関連付ける。
• モデルから予測された揺らぎ周期を、KAMLAND実験から得られた観測値と比較する

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 K捕獲崩壊実験において、ニュートリノを検出せずにニュートリノ質量差を測定できるか？
• RQ2 初期状態の運動量重ね合わせのコherー二ティが、運動量空間における揺らぎ行動に与える影響は何か？
• RQ3 異なる運動量および質量を持つ2つのニュートリノ質量固有状態が、干渉的重ね合わせにある場合の予測揺らぎ周期は何か？
• RQ4 モデルの揺らぎ周期予測値は、KAMLAND実験の結果とどのように比較されるか？
• RQ5 この文脈において、相対論的量子場理論を回避してニュートリノ揺らぎを記述できるか？

主な発見

• 2ニュートリノ質量固有状態の重ね合わせに対するモデルの揺らぎ周期は、KAMLANDの結果と10%未満の差異である。
• 自由パラメータを一切用いずに、初期状態の干渉的運動量重ね合わせとエネルギー差に基づいて予測がなされている。
• ニュートリノ検出がなくても、異なるエネルギーを持つ状態の重ね合わせの時間発展によって揺らぎが生じる。
• GSI実験におけるイオンの消失率が、ニュートリノ質量分裂の測定可能なシグナルとして機能する。
• 弱い相互作用の運動量保存則が、初期状態の重ね合わせにおける明確な相対位相および大きさを強制する。
• モデルは、相対論的量子場理論がなくても、観測された揺らぎを記述できることを示している。