[論文レビュー] Relativistic Superluminal Neutrinos

Alex Kehagias|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 25

ひとこと要約

この論文は、OPERA共同研究の報告した光速を超えるニュートリノ速度の異常が、ニュートリノに結合するローレンツ不変なスカラー場に起因すると提案している。この場は、ニュートリノが伝播する有効時空計量を変更する。モデルは、短基線（例：730 km）では超光速のニュートリノ速度を予測するが、約6,692 kmを超える基線では亜光速の挙動を示す。この異常を再現するには1 TeVの新しい質量スケールが必要である。

ABSTRACT

We present a possible solution to the reported OPERA anomaly for the speed of neutrinos, based on the idea that it is a local effect caused by a scalar field sourced by the earth. The coupling of the scalar to neutrinos effectively changes the background metric where neutrinos propagate, leading to superluminality. The strength of the coupling is set by a new mass scale, which should be at $1\, { m TeV}$ to account for the OPERA anomaly. Moreover, if this scenario is valid, the neutrino velocity depends on the baseline distance between the emission and detection points in such a way that superluminal signals turn to subluminal ones for baseline distances roughly larger than the earth radius.

研究の動機と目的

• ローレンツ不変性を破らずにOPERA共同研究が報告した超光速ニュートリノ速度の異常を説明すること。
• ニュートリノに結合するスカラー場が計量の変更を通じて有効な超光速性を生じるかどうかを調査すること。
• 光子も同様のスカラー場に結合することにより、超新星制約と整合するようにする。
• 観測された2.48×10⁻⁵のニュートリノ速度超過を再現するための結合スケールを特定すること。
• 地球の半径を超える基線距離で、超光速から亜光速へのニュートリノ伝播の遷移を予測すること。

提案手法

• スカラー場πとニュートリノの微分結合を含む有効ラグランジアンを導入し、それらの運動項を変更する。
• 地球のエネルギー運動量テンソルによって駆動される球対称なπ背景場π = α/rを仮定し、α = M/M*とする。
• ニュートリノ伝播のための有効計量を導出：ds² = -dt² + dr²/(1 + L*⁴π′²) + r²dΩ²。これによりニュートリノ速度が変化する。
• 有効ニュートリノ速度u² = 1 + L*⁴π′²を計算し、L*⁴π′² > 0のとき超光速性が生じることを示す。
• 基線依存の飛行時間式t_AB = (R⊕²/d)(√(1+2β) - √(2β + (1 - d²/R⊕²)))を用いて到着時刻のずれをモデル化する。
• 光子も同様のスカラー場に結合することを仮定することで、SN1987Aの制約と整合性を保つ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ローレンツ不変なスカラー場の結合が、基本的対称性を破ることなくOPERAの異常を説明できるか？
• RQ2 観測された2.48×10⁻⁵のニュートリノ速度超過を再現するための必要な結合スケールL*は何か？
• RQ3 ニュートリノ速度は、発信源と受信点の基線距離にどのように依存するか？
• RQ4 どの基線距離で超光速挙動から亜光速挙動への遷移が起こるか？
• RQ5 同様のスカラー場結合が、超新星ニュートリノ観測との整合性を保つために等価原理を破らないか？

主な発見

• モデルは、730 kmのCNGS-OPERA基線のような短基線で超光速のニュートリノ伝播を予測し、OPERAの異常と一致する。
• 必要な結合スケールはL* = 2×10⁻¹⁷ cmであり、これはM* = 1 TeVの質量スケールに対応し、電弱物理学と整合する。
• 基線距離が約6,692 kmを超えると、ニュートリノ速度は超光速から亜光速に遷移し、δt_ABが負になる。
• ニュートリノの飛行時間はt_AB = (R⊕²/d)(√(1+2β) - √(2β + (1 - d²/R⊕²)))で与えられ、基線依存の到着時刻ずれを示す。
• 光子がニュートリノと同じようにスカラー場に結合するならば、ローレンツ対称性と等価原理が保たれる。これは、L_ph ∝ -L*⁴(∂μπ∂νπ)FμρFνρの形の結合項によって実現される。
• 光子がスカラー場にニュートリノと同じ強さで結合するならば、SN1987Aからの制約|u - c|/c < 2×10⁻⁹を満たす。