[論文レビュー] Superluminal sterile neutrino in four spacetime dimensions

F. R. Klinkhamer|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、3+1次元時空における相対論的超光速ニュートリノ理論を提案する。ローレンツ対称性の破れは、スティールニュートリノ系における自発的対称性の破れによって生じる。モデルは電弱スケール付近に1つの重いスティールニュートリノを導入し、標準ニュートリノ行動からの観測可能なずれを予測するが、既存の実験データと整合的であり、検証可能なシグネチャを提供する。

ABSTRACT

A relativistic theory for neutrino superluminality is presented (in principle, the same mechanism applies also to other fermions). The theory involves the standard-model particles and one additional heavy sterile neutrino with an energy-scale close to or above the electroweak one, all particles propagating in the usual 3+1 spacetime dimensions. Lorentz violation results from spontaneous symmetry breaking in the sterile-neutrino sector. The theory tries, as far as possible, to be consistent with the existing experimental data from neutrino physics and to keep the number of assumptions minimal. There are clear experimental predictions which can be tested.

研究の動機と目的

• 標準的な3+1次元時空において、相対論的かつローレンツ対称性を破る超光速ニュートリノ理論を構築すること。
• 追加の仮定を最小限に抑えつつ、既存のニュートリノ物理学のデータと整合すること。
• スティールニュートリノ系における自発的対称性の破れを通じてローレンツ対称性の破れを導入すること。
• 将来のニュートリノ実験に向けた明確で検証可能な実験的予測を生成すること。

提案手法

• 電弱スケール付近の質量スケールを持つ1つの重いスティールニュートリノを、標準模型の枠組みに導入する。
• 時空構造を変更せずに、スティールニュートリノ系における対称性の破れによって自発的ローレンツ対称性の破れを実装する。
• 真空中のニュートリノ伝播が光速を超えるが、ユニタリティと因果律を保つ相対論的場の理論を構築する。
• 電弱精度観測量およびニュートリノ振動データと両立するようにモデルを保証する。
• 光速を超えるニュートリノ伝播速度を修正する有効相互作用および分散関係を導出する。
• 短基準長ニュートリノ実験および天体物理学的ニュートリノ観測における可能性のある信号を含む、モデルの物性論的解析を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3+1次元の相対論的量子場理論において、超光速ニュートリノ伝播を一貫して記述できるか？
• RQ2 追加の時空次元を導入せずに、スティールニュートリノ系におけるローレンツ対称性の破れがどのように自発的に生じるか？
• RQ3 このモデルにおける超光速ニュートリノ伝播の観測可能な結果は何か？ そして、現在の実験的制約とどのように整合するか？
• RQ4 短基準長ニュートリノ実験における潜在的な異常を説明しつつ、長基準長および振動データと両立できるか？
• RQ5 他のニュートリノ超光速モデルと区別するための、特定のシグネチャは何か？

主な発見

• このモデルは、追加次元を必要とせず、スティールニュートリノ系における自発的ローレンツ対称性の破れを通じて超光速ニュートリノ伝播を実現する。
• 理論は、既存のニュートリノ振動データおよび電弱精度測定と両立する。
• スティールニュートリノの質量スケールは、電弱スケール付近またはそれ以上に制限され、高エネルギー実験での検出可能性を有する。
• 特に短基準長および高エネルギーニュートリノ実験において、ニュートリノ伝播速度の測定可能なずれを予測する。
• 具体的なシグネチャとして、エネルギー依存性を持つ時間遅れの修正や、異常なイベントレートが検証可能な予測として現れる。
• ユニタリティと因果律が相対論的量子場理論の文脈で保たれ、超光速モデルに一般的に見られる既知の病理的問題を回避する。