[논문 리뷰] Neutrino oscillations and superluminal propagation, in OPERA or otherwise

João Magueijo|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 27.

Neutrino Physics Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 OPERA 실험에서 보고된 초광속 중성자비의 이론적 함의를 조사하며, 로렌츠 불변성을 위반하지 않으면서도 효과를 설명할 수 있는 타키온 질량 상태 또는 변형된 분산 관계가 가능하다고 제안한다. 이는 중성자비와 플랑크 질량의 기하평균 에너지 근처의 중성자비 비임계 에너지에서 표준 플랑크 스케일에서 빛보다 10⁻⁵ 빠른 속도를 달성할 수 있음을 보여주며, 전자 중성자비와의 혼합이 억제될 경우 SN 1987A 관측과도 일치한다.

ABSTRACT

We digress on the implications of recent claims of superluminal neutrino propagation. No matter how we turn it around such behaviour is very odd and sits uncomfortably even within "far-fetched" theories. In the context of non-linear realizations of the Lorentz group (where superluminal misbehaviour is run of the mill) one has to accept rather contrived constructions to predict superluminal properties for the neutrino. The simplest explanation is to require that at least one of the mass states be tachyonic. We show that due to neutrino mixing, the flavor energy does not suffer from the usual runaway pathologies of tachyons. For non-tachyonic mass states the theories become more speculative. A neutrino specific dispersion relation is exhibited, rendering the amplitude of the effect reasonable for a standard Planck energy. This uses the fact that the beam energy is close to the geometrical average of the neutrino and Planck mass; or, seen in another way, the beam energy is unexceptional but its gamma factor is very large. A dispersion relation crossing over from a low energy bradyonic branch to a high energy tachyonic one is also considered. We comment on consistency with SN 1987A within these models.

연구 동기 및 목표

• OPERA 실험에서 주장한 초광속 중성자비 전파가 기존 물리학과 이론적으로 어떻게 조화될 수 있는지 탐색하기.
• 로렌츠 불변성을 위반하지 않으면서도 관측된 효과를 설명할 수 있는 타키온 질량 상태 또는 변형된 분산 관계의 타당성 평가하기.
• 특히 타키온 신호가 탐지되었는지 여부를 고려할 때, SN 1987A 중성자비 관측과의 일관성 검토하기.
• 고게이머 팩터를 가진 중성자비 비임계가 비정상적인 에너지 스케일에도 불구하고 초광속 행동을 가능하게 하는 모델 구축하기.

제안 방법

• 표준 하이퍼볼릭 형태를 피하기 위해 비표준 분산 관계를 가진 플레이버 상태를 묘사하기 위해 로렌츠 군의 비선형 실현을 채택한다.
• 플레이버 상태에서 해밀토니안의 기대값을 사용하여 $ E^2 f^2(E) - \mathbf{k}^2 g^2(E) = M^2 $ 형태의 변형된 분산 관계를 유도한다.
• 한 중성자비 고유상태에 대해 타키온 질량 상태를 도입하며, 혼합으로 인한 타키온 병리가 플레이버 에너지에서 피할 수 있음을 보여준다.
• 고에너지에서 브레이오닉에서 타키온적 행동으로 전이되는 분산 관계를 구성하며, OPERA의 비임계 에너지와 게이머 팩터에 맞추어 조정한다.
• 비임계의 게이머 팩터($ \gamma \gg 10^{11} $)가 저에너지 스케일에서 초광속 효과를 가능하게 하는 핵심 요소임을 분석한다.
• 로렌츠 변환 각도를 $ \tilde{\xi} = \xi_0 \tanh(\xi) $로 대체하는 모델을 제안하며, 고 $ \gamma $에서趋세를 보인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변형된 특수상대성 이론 프레임워크 내에서 초광속 중성자비 전파를 일관적으로 기술할 수 있는가?
• RQ2 타키온 질량 상태가 중성자비 진동과 플레이버 에너지에 미치는 영향는 무엇인가?
• RQ3 초광속 행동은 SN 1987A에서 조기 중성자비 신호가 관측되지 않은 것과 어떻게 조화될 수 있는가?
• RQ4 저에너지에서 관측 가능한 초광속 효과를 낳으면서도 플랑크 스케일을 유지하는 분산 관계를 구성할 수 있는가?
• RQ5 OPERA 비임계의 고게이머 팩터가 극도로 높은 에너지 스케일을 요구하지 않더라도 관측된 초광속 속도를 설명하는 데에 충분한가?

주요 결과

• 혼합으로 인한 플레이버 에너지의 병리가 피할 수 있음에도 불구하고, 타키온 질량 상태는 타키온적 특성을 띠는 것과는 별개로 초광속 중성자비 전파를 유도할 수 있다.
• 비임계의 고게이머 팩터를 활용함으로써 표준 플랑크 스케일($ E_P \sim 10^{19} $ GeV)에서도 관측된 초광속 효과를 재현할 수 있으며, 이는 명목상 낮은 에너지이지만 효과적인 에너지 스케일이 크기 때문이다.
• 10 MeV 이상에서 브레이오닉에서 타키온적 행동으로 전이되는 분산 관계는 OPERA 결과를 설명할 수 있으며, 동시에 조기 SN 1987A 신호를 피할 수 있다.
• 전자 중성자비와의 타키온 상태 혼합이 미미할 경우, SN 1987A에서의 타키온 신호는 탐지되지 않았을 것이며, 관측과의 일관성을 유지한다.
• 모델은 $ E \sim 10 $ GeV에서 빛보다 $ 10^{-5} $ 빠른 중성자비 속도를 예측하며, 이는 OPERA 측정치와 플랑크 스케일과 일치한다.
• 비임계의 고게이머 팩터($ \gamma \gg 10^{11} $)는 에너지 스케일에서는 특별한 것이 아니지만, 변형된 분산 관계 프레임워크 내에서 측정 가능한 초광속 효과를 생성하는 데에 충분하다.