[논문 리뷰] An Interpretation of "Superluminal Neutrino" Compatible with Relativity in the Framework of Standard Model

Noboru Nakanishi|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 OPERA 실험에서 관측된 초광속 중성자미입자의 결과가 상대성 이론과 조화를 이룰 수 있도록, 분산된 쿼크의 매질 덕분에 진공에서 측정된 빛의 속도($c_0$)가 진정한 상대론적 속도$c$보다 느리다고 가정함으로써 이를 해결한다. 양자 chromodynamics(QCD)에서 수정된 색 금속 조건을 사용하여, 이론은 상대성 이론이나 표준 모형을 위반하지 않으면서도 중성자미입자 속도 이상 현상을 설명하며, SN1987A 중성자미입자 관측 및 기타 고에너지 실험과도 일관성을 유지한다.

ABSTRACT

According to the measurement of muon-neutrino experiment done by the OPERA collaboration, the speed of high-energy neutrino exceeds that of light in vacuum by 25ppm. Assuming that this result is correct, a possible resolution of the dilemma between it and the validity of relativity is proposed without changing the framework of the Standard Model of elementary particles. The essential idea is based on a possible resolution, proposed previously, of the color confinement problem of quantum chromodynamics.

연구 동기 및 목표

• 특수 상대성 이론의 원칙과 충돌하는 것으로 보이는 OPERA 실험의 초광속 중성자미입자 결과를 해결하기 위해.
• 측정된 빛의 속도($c_0$)를 진정한 상대론적 속도$c$보다 낮게 재해석함으로써 표준 모형과 상대성 이론의 타당성을 유지하기 위해.
• 타키온이나 표준 모형 외의 새로운 물리학을 도입하지 않고 이상 현상을 설명하기 위해.
• 특히 SN1987A 중성자미입자 폭발이 중성자미입자 질량과 전파 속도를 제약하는 것으로, 천체물리학 관측과의 일관성을 확보하기 위해.
• 지구 근처에 산재한 분산 쿼크의 매질을 가정함으로써, 페르미와 HERA의 광자 속도 측정 결과 간의 모순을 해소하기 위해.

제안 방법

• 표준 Kugo-Ojima 조건에 $Q^a|\text{phys}\rangle = 0$를 추가하여 QCD의 확장된 색 금속 조건을 도입함으로써, 모든 색을 띤 상태가 비물리적임을 보장한다.
• 전하를 띤 쿼크로 구성된 산산이 흩어진 쿼크의 구름이 빛의 속도를 $c_0 < c$로 느리게 하며, 중성자미입자는 이 매질에 영향을 받지 않는다고 가정한다.
• 진정한 빛의 속도 $c$는 상대론적 상수이며, $c_0$는 쿼크가 풍부한 매질에서 실험적으로 측정된 속도라고 가정한다.
• 운동학적 관계 $v = c \sqrt{1 - (c_0/c)^2}$를 사용하여 OPERA 결과로부터 중성자미입자 속도를 유도하며, 이로 인해 $v - c_0 \approx 25$ ppm의 결과를 도출한다.
• SN1987A에 적용할 때는 쿼크 구름이 고밀도 지역(예: 지구와 초신성)에 국한되어 있으므로, 중성자미입자는 주로 진공에서 전파된다고 가정한다.
• $c_0 < v < c$일 때 초광속 중성자미입자에 대한 정지 프레임이 존재하므로, 이론은 타키온적 또는 인과성 역설을 피한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OPERA 실험에서 관측된 초광속 중성자미입자는 표준 모형을 위반하지 않고 특수 상대성 이론과 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ2 타키온이나 새로운 기본 입자를 도입하지 않고 $c_0 < c$가 되는 물리적 메커니즘이 존재하는가?
• RQ3 이론이 중성자미입자 질량과 전파 속도를 제약하는 SN1987A 중성자미입자 관측과 어떻게 일관성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 SLAC와 페르미와 같은 고에너지 실험은 왜 $c_0$가 느리다는 가설과 모순되지 않는가?
• RQ5 일부 실험에서 관측된 광자 속도의 에너지 의존성은 지구 근처에 국한된 쿼크 구름 매질로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• OPERA 결과인 $(v - c_0)/c_0 = 2.48 \pm 0.28 \pm 0.30 \times 10^{-5}$는 $c_0 < v < c$일 경우 상대성 이론과 일치한다. 여기서 $c$는 진공에서의 진짜 빛의 속도이다.
• 이론은 중성자미입자 속도가 $c_0$를 25 ppm 초과함을 예측하며, 이는 OPERA 측정 결과와 일치하며 인과성 위반 없이 가능하다.
• 쿼크 구름이 지구와 초신성 주변에 국한되어 있을 경우, SN1987A 중성자미입자 관측 결과는 이 이론과 일관된다.
• 만약 쿼크 구름이 전체 경로에 걸쳐 존재했다면 중성자미입자 질량에 대한 상한은 $m \approx 85$ keV가 되지만, 이는 알려진 질량 제약 조건에 위배되므로, 쿼크 구름은 국한되어 있어야 한다.
• 이론은 HERA 데이터에서 관측된 광자 속도의 에너지 의존성을, 지구 근처에 국한된 매질의 영향으로 설명할 수 있으며, 페르미 관측에서는 이러한 의존성이 관측되지 않는 이유도 이에 기인한다.
• SLAC 실험은 이 이론과 일관하다. 왜냐하면 실험이 쿼크 구름이 제거된 영역에서 수행되었기 때문에 그 맥락에서 $c_0 = c$였고, 모순이 발생하지 않았기 때문이다.