[논문 리뷰] Constraining Neutrino Velocities and Lorentz Invariance Violation in the Neutrino Sector using the IceCube PeV Neutrino Events

F. W. Stecker|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 25.

Noncommutative and Quantum Gravity Theories인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 아이스컵의 페바이오 neutrino 사건과 크랩 성운의 플레어 데이터를 사용하여 중성자기류에서의 로렌츠 불변 위반(LIV)을 제약한다. 비행 시간 차이와 진공 체렌코프 방사선 제약을 분석함으로써 초광속 중성자기류 속도에 대한 엄격한 상한 δν ≤ 5.6×10⁻¹⁹를 유도하며, SN1987A 제약보다 크게 향상된 결과를 도출한다.

ABSTRACT

The observation of two PeV-scale neutrino events reported by Ice Cube can, in principle, allows one to place constraints on Lorentz invariance violation (LIV) in the neutrino sector. After first arguing that at least one of the IceCube events was of extragalactic origin, I derive an upper limit for {\it the difference} between putative superluminal neutrino and electron velocities of $\le \sim 5.6 imes 10^{-19}$ in units where $c = 1$, confirming that the observed PeV neutrinos could have reached Earth from extragalactic sources. I further derive a new constraint on the superluminal electron velocity, obtained from the observation of synchrotron radiation in the Crab Nebula flare of September, 2010. The inference that the $>$ 1 GeV $\gamma$-rays from synchrotron emission in the flare were produced by electrons of energy up to $\sim 5.1$ PeV indicates the non-occurrence of vacuum Cerenkov radiation by these electrons. This implies a new, strong constraint on superluminal electron velocities $\delta_e \le \sim 5 imes 10^{-21}$. It immediately follows that one then obtains an upper limit on the superluminal neutrino velocity {\it alone} of $\delta_{ u} \le \sim 5.6 imes 10^{-19}$, many orders of magnitude better than the time-of-flight constraint from the SN1987A neutrino burst. However, if the electrons are {\it subluminal} the constraint on $|\delta_e| \le \sim 8 imes 10^{-17}$, obtained from the Crab Nebula $\gamma$-ray spectrum, places a weaker constraint on superluminal neutrino velocity of $\delta_{ u} \le \sim 8 imes 10^{-17}$.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 천체물리 중성자기류 사건을 이용하여 중성자기류 영역에서의 로렌츠 불변 위반(LIV)을 테스트하기 위해.
• 관측된 페바이오 중성자기류가 LIV 시나리오 하에서 은하간 기원일 수 있는지를 판단하기 위해.
• 아이스컵 데이터와 크랩 성운에서의 동기방출 방사선 관측을 조합하여 초광속 중성자기류 속도에 대한 개선된 제약을 도출하기 위해.
• 전자 속도 제약이 초광속 중성자기류 속도에 대한 최종 제약에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 은하간 기원 천체에서 온 페바이오 중성자기류와 광자 간의 비행 시간 차이를 분석함으로써, 중성자기류 영역에서의 LIV를 가정한다.
• 아이스컵에서 관측된 페바이오 중성자기류 사건을 이용하여 적어도 하나의 사건이 은하간 기원임을 추론함으로써 LIV 제약을 가능하게 한다.
• 크랩 성운 플레어에서 진공 체렌코프 방사선의 부재를 이용하여 전자 속도를 제약하며, 최대 5.1 페바이오 에너지의 전자가 동기방출 감마선을 방출한다고 가정한다.
• 크랩 플레어에서 진공 체렌코프 방사선의 비관측을 바탕으로 초광속 전자 속도에 대한 제약 δe ≤ 5×10⁻²¹을 유도한다.
• 전자 속도 제약을 중성자기류 속도 제약으로 전환하기 위해 관계식 δν ≤ δe + δν를 사용하며, 중성자기류가 초광속임을 가정한다.
• 전자들이 준광속일 수 있는 대안 시나리오를 고려하여 크랩 스펙트럼에 기반한 더 약한 δν 제약을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아이스컵의 페바이오 중성자기류 사건은 중성자기류 영역에서의 로렌츠 불변 위반(LIV)을 제약하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ2 관측된 페바이오 중성자기류 사건을 바탕으로, 중성자기류와 전자 간의 최대 허용 초광속 속도 차이는 얼마인가?
• RQ3 크랩 성운 플레어에서의 동기방출 감마선 관측은 전자 속도를 어떻게 제약하며, 이를 통해 중성자기류 속도는 어떻게 제약되는가?
• RQ4 전자 속도 제약이 적용되었을 때, 초광속 중성자기류 속도에 대한 최종 상한은 얼마인가?
• RQ5 유도된 제약은 기존의 SN1987A 중성자기류 관측에서의 제약과 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• 분석 결과, 아이스컵의 페바이오 중성자기류 사건 중 적어도 하나가 은하간 기원임을 확인하여 LIV 제약이 가능하다는 것을 입증한다.
• 중성자기류가 초광속일 경우를 가정할 때, 초광속 중성자기류 속도 차이에 대한 엄격한 상한 δν ≤ 5.6×10⁻¹⁹을 도출한다.
• 크랩 성운 플레어에서 진공 체렌코프 방사선의 부재는 전자 초광속 속도에 대한 강력한 제약을 암시한다: δe ≤ 5×10⁻²¹.
• 이 전자 제약은 직접적으로 δν ≤ 5.6×10⁻¹⁹를 이끌어내며, 이는 SN1987A의 비행 시간 제약보다 수 개의 차수만큼 더 엄격하다.
• 전자들이 준광속일 경우, 크랩 스펙트럼에 기반하여 δν 제약는 약화되어 δν ≤ 8×10⁻¹⁷가 된다.
• 결과적으로, 전자 속도 제약을 활용함으로써 기존의 중성자기류 영역에서의 LIV 제약보다 크게 향상된 결과를 도출한다.