[論文レビュー] Superluminal neutrinos

Jerrold Franklin|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2011

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、オペラ共同研究が観測した超光速ニュートリノ伝播が、タキオン的粒子ではなく物質内でのエネルギー依存性を持つポテンシャルに起因すると提案する。モデルはエネルギーに依存するポテンシャル V(E) を持つディラック方程式を用い、エネルギー依存の群速度を誘発することで、オペラの測定値 Δ ≈ 2.5×10⁻⁵ と整合する超光速速度を実現する。ローレンツ不変性を保ちつつ無限大のエネルギー要請を回避する。

ABSTRACT

The superluminal propagation of neutrinos observed by the OPERA collaboration can be explained by an energy dependent potential for the neutrino beam in passage through the Earth.

研究の動機と目的

• オペラの超光速ニュートリノ結果とSN1987aのニュートリノ観測との間にある顕著な矛盾を解消すること。
• 特殊相対性理論および標準模型と整合的である超光速ニュートリノ伝播のメカニズムを提供すること。
• SN1987aで観測された5つのニュートリノが他のものより5時間早くLSD検出器に到着した現象を説明すること。
• ポテンシャルのエネルギー依存性にもかかわらず、オペラのデータで観測されたエネルギーに依存しない超光速速度を説明すること。

提案手法

• ニュートリノが物質中を伝播する間に作用するエネルギー依存性ポテンシャル V(E) を持つディラック方程式を定式化する。
• ポテンシャルのエネルギー微分 V′ = dV/dE を用いて群速度 vG = dE/dp を導出し、m ≪ V ≪ E の条件下で vG ≈ 1 + V′ が成り立つことを示す。
• V(E) = μE と仮定することで、vG − 1 = μ となり、超光速超過分 Δ = vG − 1 がポテンシャルのエネルギー微分に等しくなる。
• SN1987aにこのモデルを適用し、低物質密度の環境では Δ ≈ 3.3×10⁻⁹ にまで小さくなることから、LSD検出器のニュートリノが5時間早く到着したことを説明する。
• V のエネルギー依存性を用いて、ポテンシャルの変動にもかかわらず、オペラの高エネルギー・低エネルギーのニュートリノビームで同じ Δ 値が観測される理由を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オペラ実験における超光速ニュートリノ伝播は、特殊相対性理論に反することなく説明可能か？
• RQ2 なぜSN1987aのニュートリノは同じ出来事から発せられたにもかかわらず、5時間の時間差で到着するのか、特にLSD検出器に5つも早く到着したニュートリノはなぜか？
• RQ3 異なるエネルギーを持つにもかかわらず、オペラの高エネルギー・低エネルギーのニュートリノビームが同じ超光速速度を示すのはなぜか？
• RQ4 なぜ物質中ではニュートリノが超光速に見えるが、宇宙空間の真空中ではそうならないのか？

主な発見

• モデルは、13.9 GeV ニュートリノの測定値 Δ₁ = (2.18 ± 0.77 ± 0.30)×10⁻⁵ と 42.9 GeV ニュートリノの Δ₂ = (2.76 ± 0.75 ± 0.30)×10⁻⁵ を、一定の V′ = μ により説明できる。
• オペラで観測されたエネルギーに依存しない Δ は、V(E) ∝ E すなわち V = μE のポテンシャルと整合的であり、vG − 1 = μ となる。
• SN1987aのLSD検出器に到着した5時間分の早期到着は Δ ≈ 3.3×10⁻⁹ に対応し、これはオペラの Δ よりもはるかに小さい。これは宇宙空間の低物質密度と整合的である。
• このモデルは、LSDニュートリノの早期到着を、物質中での相互作用によるものとすることで、SN1987aの謎を解消する。これは、ニュートリノの内在的超光速生成とは無関係である。
• このメカニズムはニュートリノに特有である。その小さな質量のおかげで m < V が成立し、エネルギー運動量保存則に反することなく超光速群速度が実現可能になる。