[論文レビュー] Superluminal neutrinos and domain walls

Peng Wang, Houwen Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 55被引用数 21

ひとこと要約

本稿では、OPERA実験で観測された超光速ニュートリノが、時空内のドメインウォールに起因する可能性を提案している。ここではスカラー場がニュートリノと光子に対して異なるようにカップルし、それらの有効な伝播速度を変化させる。モデルはz方向のニュートリノ計量の修正を通じて60 nsの早期到着を説明し、星間距離に比べて薄いドメインウォールまたは同一平面の配置という2つの状況によって、OPERAの結果とSN1987Aの制約を両立させる。

ABSTRACT

In this letter, we propose that the recent measurement of superluminal neutrinos in OPERA could be explained by the existence of a domain wall which is left behind after the phase transition of some scalar field in the universe. The scalar field couples to the neutrino and photon field with different effective couplings. It causes different effective metrics and the emergence of superluminal neutrinos. Moreover, if the supernova and the earth are in the same plane parallel to the wall, or the thickness of the wall is much smaller than the distance from the supernova to the earth, the contradiction between OPERA and SN1987a can be reconciled.

研究の動機と目的

• 730 kmの距離を走るミュオンニュートリノが光より60 ns早く到着したOPERA実験の観測を説明すること。
• ニュートリノが光より遅れて到着しなかったSN1987Aの事例（光とほぼ同時に到着）との明らかな矛盾を解消すること。
• ローレンツ対称性の自発的破れをドメインウォールを介して実現するメカニズムを提案し、基本的対称性を損なわずにニュートリノの伝播速度を変更すること。
• OPERAおよびSN1987Aのデータから、ドメインウォールの厚さとカップリングパラメータの制約を導出すること。

提案手法

• 実数スカラー場φ、ディラックニュートリノψ、および電磁場Aμを含む有効ラグランジアンを導入し、gおよびg′のカップリングを伴う高次元オペレーターを含む。
• ドメインウォールのプロファイルをφ_w(z) = σ tanh(z/Δ)と仮定し、z=0でxy平面に局在化する。厚さΔはσおよびλによって決定される。
• ニュートリノの有効計量を導出し、gσ²/(M⁴Δ²cosh⁴(z/Δ))に比例する項を通じてz方向の速度を変更し、超光速伝播を実現する。
• 修正された計量を用いてz方向のニュートリノ到着時間を積分で計算し、小さなずれに対してテイラー展開を用いて近似する。
• OPERAで測定された遅延δ_OPERA ≈ 2.48×10⁻⁵を用いて、パラメータの組み合わせ(gσ²)/(M⁴Δ²) ≥ 10⁻⁵の制約を得る。
• SN1987Aと両立する2つの状況を分析する：(1) SNと地球がドメインウォールに平行な同一平面にある場合、速度差なし；(2) 薄い壁（Δ ≪ L_SN）の場合、δ_SNはΔ/L_SNに比例して抑制され、δ_SN/δ_OPERA ≲ 10⁻⁴かつΔ ≲ 100 lyとなる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時空内のドメインウォールが、ローレンツ不変性を破らずにOPERA実験における60 nsのニュートリノ早期到着を説明できるか？
• RQ2 OPERAで観測された超光速ニュートリノ効果を、SN1987Aで顕著な遅延が観測されなかった事実とどのように両立できるか？
• RQ3 モデルがOPERAの結果を再現するための物理的パラメータ（ドメインウォールの厚さΔやカップリング強度）は何か？
• RQ4 ニュートリノの基準線の方向がドメインウォールに対して影響を及ぼすか？そして、それが実験的にテスト可能か？
• RQ5 SN1987Aのデータがドメインウォールの厚さとカップリングスケールに課す制約は何か？

主な発見

• モデルは、ドメインウォールに垂直な方向（z方向）において、ニュートリノが光より速く伝播できることを予測する。これはgσ²/(M⁴Δ²cosh⁴(z/Δ))に比例する項を含む修正された有効計量に起因する。
• OPERAの遅延δ_OPERA ≈ 2.48×10⁻⁵を再現するためには、パラメータの組み合わせ(gσ²)/(M⁴Δ²)が10⁻⁵以上である必要がある。
• もし超新星と地球がドメインウォールに平行な同一平面にある場合、ニュートリノと光子は同じ速度で伝播するため、SN1987Aの矛盾は解消される。
• ドメインウォールが薄いかつΔ ≪ L_SN ≈ 1.6×10⁶ lyの場合、SN1987Aの遅延δ_SNはΔ/L_SNに比例して抑制され、δ_SN/δ_OPERA ≲ 10⁻⁴かつΔ ≲ 100 lyとなる。
• モデルは、ニュートリノの基準線の方向がウォールに対して影響を及ぼすことを予測しており、今後の方向測定によってこのモデルを実験的に検証可能である。
• 地球とともに動くドメインウォールの場合、厚さΔは10⁻⁹ ly（地球スケール）以上でなければならない。静止している場合、3年間の太陽の運動に起因して10⁻³ ly以上必要。SN1987Aの制約を満たすためには最大で約100 lyまでに制限される。