[論文レビュー] Superluminal Neutrinos and Monopoles

Peng Wang, Houwen Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 53被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、オペラ実験で観測された超光速ニュートリノが、時空をニュートリノにのみ局所的に歪める't Hooft-Polyakovモノポールとの相互作用によって生じる可能性を提案している。このモノポールはニュートリノに対して固定の60 nsの時間的リードを引き起こし、オペラの結果と超新星ニュートリノ観測データを整合させ、宇宙ひもは妥当な説明として排除する。

ABSTRACT

In this letter, we show that superluminal neutrinos announced by OPERA could be explained by the existence of a monopole, which is left behind after the spontaneous symmetry breaking (SSB) phase transition of some scalar fields in the universe. We assume the 't Hooft-Polyakov monopole couples to the neutrinos but not photon fields. The monopole introduces a different effective metric to the neutrinos from the one experienced by photons. We find that the superluminal propagation only exists in a very short distance from the monopole, about $10^3$ cm in OPERA. No matter how far they travel, neutrinos always arrive earlier than photons by the same amount of time, provided a monopole existing on or close to their trajectories. This conclusion can be tested by future experiments. The result reconciles the contradiction between OPERA and supernova neutrinos. We further exclude cosmic strings as a possible theoretical explanation.

研究の動機と目的

• オペラの超光速ニュートリノ結果と、SN 1987Aからのニュートリノ到着時刻の間にある矛盾を解消すること。
• モノポールのようなトポロジカルな欠陥が、オペラで観測された60 nsのニュートリノの早期到着を説明できるかどうかを検討すること。
• 超光速ニュートリノ伝播の理論的説明として、モノポールと宇宙ひもがどれだけ妥当であるかを検証すること。
• モノポールが軌道上またはその近傍にある限り、ニュートリノと光子の間の時間差が距離に依存せずに一定であることを示すこと。

提案手法

• SU(2)ゲージ理論において、スカラー三重項ヒッグス場が自発的対称性破れを経てU(1)に低下し、't Hooft-Polyakovモノポールを生成する仮定。
• ラグランジアンに非最小相互作用項を導入し、モノポールのゲージ場・スカラー場とニュートリノの間の結合を定式化。光子には結合しない。
• モノポールの場の分布に基づいて、光子が体験するミンコフスキー計量とは異なるニュートリノの有効計量を導出。
• モノポールのBPSソリトン解（λ→0）を用い、モノポール付近の短距離領域に注目して、ニュートリノ伝播時間の解析的評価を実施。
• 半径座標ρ = m_w rを用いて、光子とニュートリノの時間差∆t = t_c - t_νを計算。時間遅れの主な寄与はモノポールから約δ ~ 10^3 cmの領域に集中していることが判明。
• 予測された時間遅れをオペラの60 ns測定値と比較し、SN 1987Aニュートリノ観測データとの整合性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノポールの存在が、オペラ実験で観測された60 nsのニュートリノの早期到着を説明できるか？
• RQ2 モノポールに起因する時間遅れが、さまざまなベースライン距離にわたり一定のまま保たれるか。これにより、オペラとSN 1987Aのデータが整合するか？
• RQ3 ニュートリノ伝播を変更できる可能性があるにもかかわらず、なぜ宇宙ひもは説明として除外されるのか？
• RQ4 モノポール存在下で、ニュートリノの有効計量は光子の計量とどのように異なるか？
• RQ5 時間遅れが主に発生する空間スケールは何か。また、これはオペラのベースラインとどのように関係するか？

主な発見

• モノポールの影響により、ニュートリノと光子の間の時間差は、総移動距離に依存せず、約60 nsに固定される。
• 時間遅れの主な寄与は、モノポールの周囲に約δ ~ 10^3 cmの非常に短い領域に集中している。
• モノポールの効果は局所的である。ニュートリノの有効計量は、(D_μφ)^a(D^μφ)^a項による結合のおかげで、光子が体験するミンコフスキー計量とは異なる。
• モノポールのBPSソリトン解を用いることで、κ ~ O(1)かつm_w ~ 100 GeVのとき、オペラ測定値と整合する時間遅れが得られる。
• 宇宙ひもは、'欠損角のパラドックス'—観測可能な重力レンズ効果や周囲の物質の不安定化を引き起こすため、除外される。
• このモデルは、SN 1987Aからの超新星ニュートリノが同様の早期到着を示さなかった理由を説明する。それは、その経路にモノポールが存在する確率が極めて低いからである。