[논문 리뷰] Can Neutrinos Probe Extra Dimensions?

Vladimir Ammosov, G.G. Volkov|ArXiv.org|2000. 08. 03.

Black Holes and Theoretical Physics참고 문헌 11인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 뉴트리노가 초과 차원이 있는지 여부에 따라 빛의 속도에서 벗어나는 현상(초광속 뉴트리노 속도는 큰 초과 차원일 경우, 미세한 속도 감소는 작은 초과 차원일 경우)을 보이며, 이를 통해 초과 차원을 탐사할 수 있다고 제안한다. 이 효과들은 CERN 실험을 통해 가속기에서 생성된 뉴트리노를 이용해 검증 가능하며, 장거리 기반 및 빔 덤프 설정이 현재의 한계를 초월한 속도 이상 현상에 민감하게 반응할 수 있다.

ABSTRACT

We conjecture that the topological structure of the gauge symmetries required by the Calabi-Yau vacuum and the dualities in string/D-branes considered in the world with some additional dimensions can lead to an extension of the main principles of the Special Theory of Relativity. The link between the topological structure of the vacuum and the, hierarchy of the gauge symmetries could be checked by the existence of the ``almost massless'', ''sterile'' particles. These particles could have flying properties different from the standard predictions of the STR. It is natural to consider this property for neutrinos, known up to now ``$U(1)_{em}$ sterile'' particles. Here we discuss two such effects depending on the possible existence of large and/or small extra dimensions and what is the maximal speed for both cases. The effect of large extra dimensions can be directly connected with the existence of a hidden boost, $c_{hid} >> c_{em}$, excited by new global dimensions and can lead to the monotonous rise of the neutrino velocity at high energies, $v_ν > c$. The effect of small extra dimensions, universal with respect to all particles, can be connected with the gravitation recoils of the propagation of neutrino in the space-time vacuum-foam and it leads to the effect of diminishing the neutrino velocity at high energies. We propose to check these conjectures for neutrinos of different energies and species. Limits for existing neutrino data and expected sensitivities of possible experiments for accelerator - produced neutrinos are considered. It is pointed out that CERN has the unique opportunity of measuring the indicated effects.

연구 동기 및 목표

• 뉴트리노가 빛의 속도에서 벗어나는 현상으로 인해 초과 차원을 탐사할 수 있는지 조사하는 것.
• 칼라비-야우 압축에서의 위상수학적 구조와 스트링 이중성의 관계가 게이지 대칭과 새로운 시공간 대칭의 기원에 어떻게 기여하는지 탐색하는 것.
• 은폐된 부스트나 진공 폭의 상호작용과 같은 새로운 전역 효과를 고에너지 뉴트리노 실험을 통해 탐지할 수 있는지 가능성 평가하는 것.
• 기존 및 계획 중인 실험들이 큰 초과 차원과 작은 초과 차원의 맥락에서 뉴트리노 속도의 변화에 얼마나 민감한지 평가하는 것.
• 특히 고강도 빔 또는 빔-빔 충돌을 이용한 실험을 통해 CERN가 이러한 효과를 측정할 수 있는 유일한 시설임을 규명하는 것.

제안 방법

• 칼라비-야우 다양체의 위상수학적 구조와 스트링 이중성을 뉴트리노의 게이지 대칭과 새로운 시공간 대칭의 기원에 연결하는 이론적 프레임워크를 제안한다.
• 두 가지 시나리오를 분석한다: (1) 압축되지 않은 큰 초과 차원은 은폐된 부스트 $c_{\text{hid}} \gg c_{\text{em}}$ 를 유도하여 고에너지에서 뉴트리노 속도가 단조롭게 증가하게 한다; (2) 압축된 작은 초과 차원은 시공간 진공 폭에서 중력 반동 효과를 유도하여 고에너지에서 뉴트리노 속도를 감소시킨다.
• 빛의 속도에서의 뉴트리노 속도 변화를 정량화하기 위해 뉴트리노 속도 매개변수 $\Delta\beta = \beta_\nu - \beta_c$ 를 사용하며, 여기서 $\beta = v/c$ 이다.
• 시간 해상도 약 200–250 ps인 빔 버스트와 검출기들을 이용한 비행 시간 측정을 통해 실험 감도를 평가한다.
• FNAL, SN87A, WANF 빔 덤프, LHC 빔-빔, 장거리 기반 설정 등 다양한 실험의 기대 감도를 서로 다른 가설($\delta\beta = E/M$ 및 $\delta\beta = E^2/\tilde{M}^2$) 하에 비교한다.
• 은폐된 물질이 포함된 경우, 초신성 또는 활성 은하핵(AGN)과 같은 천체물리적 소스로부터 기인하는 초고에너지 뉴트리노가 $\Delta\beta \sim 10^{-16}$ 수준의 변화를 유도할 수 있음을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큰 또는 작은 초과 차원 존재 시 고에너지 뉴트리노가 빛의 속도에서 벗어나는 속도 변화를 보일 수 있는가?
• RQ2 칼라비-야우 압축에서의 위상수학적 구조와 스트링 이중성이 게이지 대칭과 새로운 시공간 대칭의 기원에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 은폐된 부스트가 큰 초과 차원에서 발생하거나 진공 폭 효과가 작은 초과 차원에서 발생하는 뉴트리노 속도 이상 현상을 탐지할 수 있는 실험 설정은 무엇인가?
• RQ4 다양한 이론 모델 하에서 기존 및 계획 중인 실험들이 뉴트리노 속도 변화에 대해 얼마나 민감한가?
• RQ5 특히 고강도 빔 또는 빔-빔 충돌을 이용한 CERN 실험은 이러한 예측을 검증하기 위해 필요한 정밀도를 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 큰 초과 차원의 경우, 은폐된 부스트 $c_{\text{hid}} \gg c_{\text{em}}$ 로 인해 고에너지에서 뉴트리노 속도가 에너지에 따라 단조롭게 증가하며, 빛의 속도를 초월할 수 있다($v_\nu > c$).
• 작은 초과 차원의 경우, 시공간 진공 폭에서 중력 반동 효과로 인해 고에너지에서 뉴트리노 속도가 감소하여 $v_\nu < c$ 가 된다.
• 장거리 기반 실험인 NuFact는 $\delta\beta = E^2/\tilde{M}^2$ 조건에서 $\Delta\beta \sim 3 \times 10^{-10}$ 의 감도를 확보할 것으로 예측되며, SN87A의 한계를 뛰어넘는다.
• WANF 및 LHC 빔-빔 설정의 빔 덤프 실험은 뉴트리노 종류와 통계에 따라 $\sim 1.5 \times 10^{-6}$ 에서 $2.5 \times 10^{-6}$ 수준의 $\Delta\beta$ 감도를 확보할 것으로 예상된다.
• 50kt 검출기와 함께 LHC 빔-빔 실험은 뷰티, W, Z 붕괴에서 기인한 $\nu_\mu$, $\nu_e$, $\nu_\tau$ 에 대해 $\sim 2.5 \times 10^{-6}$ 의 감도를 확보할 수 있다.
• 은하핵(AGN) 또는 초신성(그로벌 레이저 빔)과 같은 천체물리적 소스로부터 기인하는 초고에너지 뉴트리노는 $\Delta\beta \sim 10^{-16}$ 수준의 변화를 유도할 수 있으며, 이는 은폐된 물질이 존재할 경우 극도로 높은 에너지 스케일을 탐사할 수 있게 한다.