[論文レビュー] Superluminal Dark Neutrinos

I. Ya. Aref’eva, И. В. Волович|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2011

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 31被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、OPERA実験が示唆する光を超える速度で伝播するニュートリノが、質量混合を通じてのみ結合する新しいダークニュートリノが存在する場合、既知の物理学と整合する可能性があると提唱する。ペアブレムストラール散乱などのエネルギー損失機構を避ける、テーキオン的またはローレンツ対称性を破るダークニュートリノ系を導入することで、モデルはOPERAの60ナノ秒の早期到着を説明しつつ、MINOSおよびSN1987aの制約とも整合する。

ABSTRACT

The OPERA collaboration has claimed the discovery of supeluminal neutrino propagation. However the superluminal interpretation of the OPERA result was refuted by Cohen and Glashow because it was shown that such superluminal neutrinos would lose energy rapidly via the bremsstrahlung of electron-positron pairs (arXiv:1109.6562). We note that the superluminal interpretation is still possible if there exists a new (dark) neutrino which can propagate with a superluminal velocity and which couples with usual neutrinos only via the mass mixing leading to neutrino oscillations. It is supposed that the physical laws are invariant under rotations and translations in a preferred reference frame. Two possible pictures to parameterize departures from Lorentz invariance are discussed: a "conventional" tachyonic dark neutrino and the modification of the Lagrangian by adding perturbations with the maximum attainable speed of the dark neutrino which is larger than the speed of light in vacuum. We analyze also the MINOS and SN1987a data and show that they are consistent with the conjecture that there exists the superluminal dark neutrino.

研究の動機と目的

• OPERA実験の超光速ニュートリノの主張と、Cohen-Glashowによるエネルギー損失制約との矛盾を解消すること。
• 高速ニュートリノが標準弱い相互作用ではなく、質量混合でのみ結合するダークセクター粒子である場合、超光速伝播が妥当であるかを検討すること。
• MINOSおよびSN1987aの既存データを、超光速のダークニュートリノを仮定して分析すること。
• ローレンツ対称性を破るダークニュートリノの場の理論的モデルを構築し、急速なエネルギー損失を回避すること。

提案手法

• 標準ニュートリノ場φと超光速のテーキオン的ダーク場χを含む二場のラグランジアンを導入し、双線形相互作用λφχで結合する。
• PMNSに類似した混合行列を用いて、フレーバー状態(φ, χ)から質量状態(φ₁, φ₂)への変換を行い、粒子の混合を可能にする。
• ボゴリューボフ変換を用いて量子状態の時間発展を記述し、物理的φ粒子の有効速度を計算する。
• エネルギー依存の速度式 v = p[cos²θ / √(p² + κ₁²) + sin²θ / √(p² − κ₂²)] を導出し、高エネルギー領域で超光速の振る舞いを示す。
• コールドン＝グラショウにインspiredした固定時空的ベクトルを用いた代替パラメータ化を検討し、ローレンツ対称性の破れを記述する。
• 振動と伝播を記述する振幅⟨f|e⁻ⁱᵗᴴ|f⟩を分析し、ダークセクターをトレースすることで物理的ニュートリノのダイナミクスを分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ペアブレムストラール散乱(νμ → νμ + e⁺ + e⁻)による急速なエネルギー損失が生じない場合、超光速ニュートリノ伝播は可能か？
• RQ2 CohenとGlashowのエネルギー損失議論による制約を回避できる、超光速ニュートリノ伝播の妥当なメカニズムは存在するか？
• RQ3 OPERAの異常は、標準弱い相互作用ではなく質量混合でのみ結合するダークニュートリノによって説明可能か？
• RQ4 MINOSおよびSN1987aのデータは、超光速のダークニュートリノモデルと整合的か？
• RQ5 真空崩壊や理論的不整合を引き起こさずに、ローレンツ対称性の破れをニュートリノ場理論に一貫して組み込む方法は何か？

主な発見

• ダークニュートリノが標準弱いカレントではなく、質量混合でのみ結合するため、ペアブレムストラール散乱(νμ → νμ + e⁺ + e⁻)は回避される。
• テーキオン的ダーク場χとの量子混合により、物理的ニュートリノ(φ)の有効速度は光速を超える可能性がある。
• エネルギー依存の速度式は、高運動量領域で超光速の振る舞いを示し、OPERA結果のδ ≈ 2.5×10⁻⁵と整合的である。
• MINOSのデータ(δ ≈ 5×10⁻⁵)もモデルと整合的であり、エネルギー範囲が強いエネルギー損失の臨界閾値未満であるためである。
• SN1987aの制約(|δ| < 2×10⁻⁹ at 10 MeV)は満たされており、低エネルギー領域ではダークニュートリノの超光速効果が抑制されるためである。
• テーキオン的およびコールドン＝グラショウ型のローレンツ対称性破れパラメータ化の両方においてモデルが成立しており、超光速ニュートリノ伝播の堅牢なフレームワークを示唆している。