[논문 리뷰] Matter density, symmetry breaking, and neutrino oscillation

H. Mohseni Sadjadi, Amir-Pouyan Khosravi|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 15.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 14인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 중성자 질량이 중력에 비례적으로 결합된 스칼라 장의 자발적 $Z_2$ 대칭 깨짐에 의해 발생하는 질량 메커니즘을 제안한다. 이로 인해 질량 생성은 오직 저밀도 영역에서만 발생하며, 밀도가 높은 환경에서는 스칼라 장이 $Z_2$ 대칭을 유지하여 중성자를 질량이 없는 상태로 유지한다. 반면에 희박한 영역에서는 대칭이 깨지고 중성자가 질량을 얻게 되어 중성자 진동 길이가 수정되고 MSW 효과가 강화된다. 이는 밀도에 따라 변화하는 중성자 비정상 현상에 대한 잠재적 설명을 제공한다.

ABSTRACT

A proposal for the neutrino mass, based on neutrino-scalar field interaction, is introduced. The scalar field, in turn, is nonminimally coupled to the Ricci scalar, and hence relates the neutrino mass to the matter density. In a dense region, the scalar field obeys the $Z_2$ symmetry, and the neutrino is massless. In a diluted region, the $Z_2$ symmetry breaks and neutrino acquires mass from the non-vanishing expectation value of the scalar field. We consider this scenario in the framework of a spherical dense object whose outside is a diluted region. In this background, we study the neutrino flavors oscillation, along with the consequences of the theory on oscillation length and MSW effect. This preliminary model may shed some lights on the existing anomalies within the neutrino data, concerning the different oscillating behavior of the neutrinos in regions with different densities.

연구 동기 및 목표

• 다양한 물질 밀도에서 관측된 중성자 진동 데이터 간의 괴리 문제를 해결하기 위해.
• 스칼라 장의 역학을 통해 국소적 물질 밀도에 따라 중성자 질량이 변화하는 동적 메커니즘을 제안하기 위해.
• 이 메커니즘이 비균일한 물질 배경에서 중성자 진동 길이와 MSW 효과에 어떻게 영향을 주는지 조사하기 위해.
• 이 모델이 기존의 중성자 데이터에서 관측된 이질현상, 특히 밀도가 높은 천체 물리 환경에서의 이질현상들을 해결할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 리치 스칼라와 비례적으로 결합된 스칼라 장을 도입하여 시공간 곡률과 물질 밀도와 연관지운다.
• 고밀도 영역에서 스칼라 장이 0이 되도록 $Z_2$ 대칭을 구현하여 중성자가 질량이 없는 상태를 유지한다.
• 저밀도 영역에서 자발적 $Z_2$ 대칭 깨짐을 허용하여 비제로 진공 기대값을 만들어내고, 이로 인해 중성자 질량이 생성되도록 한다.
• 희박한 외부 영역을 가진 구형 대칭의 고밀도 물체를 모델링하여 중성자 전파 및 품질 진동을 연구한다.
• 외부 영역에서 스칼라 장의 진공 기대값에 의존하는 효과적인 중성자 질량 항을 유도한다.
• 비균일 배경에서 중성자 진동 확률을 분석하며, 진동 길이와 MSW 공진 조건에 초점을 맞춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스칼라 장의 상호작용을 통해 중성자 질량이 국소적 물질 밀도에 어떻게 동적으로 의존하는가?
• RQ2 고밀도 영역에서의 $Z_2$ 대칭 복원이 중성자 질량과 품질 진동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 스칼라 장의 중력에 대한 비비례 결합이 저밀도 영역에서 효과적인 중성자 질량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 기존 표준 모델과 비교할 때 이 모델이 중성자 진동 길이와 MSW 효과를 어느 정도 수정하는가?
• RQ5 이 프레임워크는 다양한 물질 밀도 영역에서 관측된 중성자 진동 데이터의 비정상 현상을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 중성자 질량은 중력에 비례적으로 결합된 스칼라 장의 자발적 $Z_2$ 대칭 깨짐으로 인해 오직 저밀도 영역에서만 동적으로 생성된다.
• 고밀도 영역에서는 스칼라 장이 0으로 유지되어 중성자가 질량이 없는 상태를 유지하며, 이는 $Z_2$ 대칭 유지와 일치한다.
• 희박한 영역에서의 효과적인 중성자 질량은 스칼라 장의 진공 기대값에 비례하며, 이는 비례 결합을 통해 국소적 물질 밀도에 따라 결정된다.
• 이 모델은 밀도에 따라 변화하는 질량 항으로 인해 저밀도 영역에서 수정된 중성자 진동 길이를 예측한다.
• 이 프레임워크에서는 중성자 질량이 물질 밀도에 강하게 의존하므로 MSW 효과가 강화되며, 이는 중성자 데이터의 비정상 현상에 대한 설명 가능성을 높인다.
• 이 시나리오는 우주론적 및 천체 물리적 물질 밀도 기울기와 중성자 질량 생성을 자연스럽게 연결하는 메커니즘을 제공한다.