[논문 리뷰] Density-Dependent Neutrino Dispersion Relations for OPERA?

Emilio Ciuffoli, Jarah Evslin외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 15.

Noncommutative and Quantum Gravity Theories참고 문헌 4인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 분산 관계의 로렌츠 위반 보정에 의해 유도되는 밀도에 의존하는 중성자열 분열 불안정성을 규명한다. 그 결과, 군속도가 위상속도를 초과할 경우 중성자가 두 개의 중성자와 반중성자로 붕괴할 수 있음을 보여준다. 이 불안정성은 OPERA/Minos 속도 이면을 설명하는 모델에 대해 강력한 제약을 가한다. 이는 오직 중성자만 수정된 경우에도 마찬가지다.

ABSTRACT

We show that particles can split only when their group velocity exceeds their phase velocity. In this sense the splitting process is the quantum analog of the modulational instability in anomalous dispersive media. In the case of a neutrino whose dispersion relation contains a subdominant Lorentz-violating correction of the form aP^k, the neutrino will decay into two neutrinos and an antineutrino at a rate proportional to a^3G_F^2E^{2+3k}. Unlike the Cohen-Glashow instability, the splitting instability exists even if all particles involved in the interaction have the same dispersion relations at the relevant energy scales. We show that this instability leads to strong constraints even if the energy E is a function of both the momentum P and also of the background density rho, for example we show that it alone would have been sufficient to eliminate any model of the MINOS/OPERA velocity anomaly which modifies the neutrino dispersion relation while leaving those of other particles intact.

연구 동기 및 목표

• 로렌츠 위반 분산 관계에서 하위주도 보정 형태 aP^k를 갖는 경우 중성자 분열이 일어날 수 있는지 조사하는 것.
• 관련 에너지에서 모든 입자가 동일한 분산 관계를 갖는 경우에도 이러한 분열이 발생할 수 있는지 확인하는 것.
• 이 불안정성이 OPERA 및 MINOS 중성자 속도 이면을 설명하는 모델에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 에너지(E(P, ρ))의 배경 밀도 의존성에 의해 안정성과 제약 조건이 어떻게 영향을 받는지 분석하는 것.

제안 방법

• 로렌츠 위반 분산 보정 aP^k 가 존재할 때 중성자의 군속도와 위상속도를 분석한다.
• 양자장론을 적용하여 중성자가 두 개의 중성자와 반중성자로 붕괴하는 붕괴율을 계산하며, 이는 a^3G_F^2E^{2+3k} 비례한다.
• 이 분열 불안정성과 Cohen-Glashow 불안정성을 비교하여 속도 의존성 및 입자 대칭성의 차이를 강조한다.
• 실험에서 관측 가능한 중성자 분열이 발생하지 않도록 하기 위해 로렌츠 위반 매개변수에 대한 제약을 유도한다.
• OPERA/Minos 속도 이면 모델을 평가하기 위해, 분열 불안정성이 단독으로 이러한 모델을 배제할 수 있는지 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성자의 군속도가 위상속도를 초과할 경우, 중성자가 두 개의 중성자와 반중성자로 붕괴할 수 있는가?
• RQ2 모든 상호작용에 관여하는 입자가 동일한 분산 관계를 갖는 경우에도 분열 불안정성이 지속되는가?
• RQ3 에너지 관계(E(P, ρ))에 배경 밀도 의존성이 포함될 경우 중성자 모델의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 분열 불안정성은 OPERA/Minos 중성자 속도 이면 모델에 얼마나 강력한 제약을 가하는가?
• RQ5 오직 중성자 분산 관계만 수정하고 다른 입자는 그대로 두는 모델을 분열 불안정성이 단독으로 배제할 수 있는가?

주요 결과

• 군속도가 위상속도를 초과할 경우 중성자 분열이 발생하며, 이는 비정상적인 분산 매질에서의 모듈레이션 불안정성과 유사하다.
• 두 개의 중성자와 반중성자로의 붕괴율은 a^3G_F^2E^{2+3k} 비례하므로, 에너지 및 결합 상수에 매우 민감하다.
• Cohen-Glashow 불안정성과 달리, 이 분열 불안정성은 입자 간 다른 속도를 요구하지 않으며, 따라서 대칭적인 분산 상황에서도 적용 가능하다.
• 이 불안정성은 OPERA/Minos 속도 이면을 설명하는 모델에 대해 강력한 제약을 가하며, 오직 중성자 분산 관계만 수정하는 모든 모델을 배제한다.
• 모멘텀 P와 배경 밀도 ρ에 모두 의존하는 에너지 의존성 조건이 있더라도, 분열 불안정성 자체만으로도 이 anomaly의 타당한 모델을 제거하는 데 충분했다.