[논문 리뷰] OPERA, SN1987a and energy dependence of superluminal neutrino velocity

N. D. Hari Dass|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 03.

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한 줄 요약

이 논문은 OPERA 협동조직에서 보고한 초광속 중성미자 속도의 에너지 의존성을 검토하며, 이를 SN1987a 중성미자 도착 시간 데이터와 조율한다. 초광속 중성미자 속도의 δv/c에 대해 초신성 에너지 근처에서 제4차 에너지 의존성을 제안하는 부드러운 보간을 제시한다. 이는 OPERA의 28.1 GeV 데이터와 SN1987a의 12초 간섭 시간과 모두 일치하며, 에너지에 독립적이거나 선형적으로 오프셋된 속도 모델이 OPERA의 에너지 스케일 근처에서 데이터를 잘 맞춘다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

This is a brief note discussing the energy dependence of superluminal neutrino velocities recently claimed by OPERA [1,2]. The analysis is based on the data provided there on this issue, as well as on consistency with neutrino data from SN1987a as recorded by the Kamioka detector [3]. It is seen that it is quite difficult to reconcile OPERA with SN1987a. The so called Coleman- Glashow dispersion relations do not do that well, if applied at all neutrino energies. The so called quantum gravity inspired dispersion relations perform far worse. Near OPERA energies both an energy-independent velocity, as well as a linear energy dependence with an offset that is comparable in value to the observed δv by OPERA at 28.1 GeV works very well. Our analysis shows that precision arrival time data from SN1987a still allow for superluminal behaviour for supernova neutrinos. A smooth interpolation is given that reconciles OPERA and SN1987a quite well. It suggests a fourth power energy dependence for δv of supernova neutrinos. This behaviour is insensitive to whether the velocities are energy-independent, or linearly dependent on energy, near OPERA scale of energies. Suggestions are made for experimental checks for these relations.

연구 동기 및 목표

• OPERA가 보고한 초광속 중성미자 속도가 SN1987a 중성미자 검출의 시간 제약 조건과 일치하는지 평가하는 것.
• 특히 Coleman-Glashow 및 양자 중력 기반 모델을 포함한 다양한 에너지 의존성 분산 관계가 OPERA 및 SN1987a 데이터 양쪽에 대해 타당한지 평가하는 것.
• OPERA의 에너지 의존성 속도 측정치와 SN1987a의 상한선을 동시에 조율할 수 있는 현상학적 보간 모델을 제안하는 것.
• 제안된 에너지 의존성에 대한 실험적 검증 방법을 제안하는 것—다른 에너지와 기준 길이에서의 측정 포함.
• 초광속 속도가 확인될 경우 중성미자 전파, 진동 모델 및 상대성 이론의 기본 원리에 미치는 영향을 탐색하는 것.

제안 방법

• 13.9, 28.1, 42.9 GeV에서 OPERA가 보고한 δt 값들을 분석하여 δv/c의 에너지 의존성을 추론한다.
• 약 10 MeV 에너지에서의 SN1987a 중성미자 도착 시간 데이터(12초 간섭)를 활용해 초광속 속도 가능성에 대한 제약 조건을 설정한다.
• Coleman-Glashow 및 양자 중력 기반 분산 관계의 성능을 시험하여, 양측 데이터를 조율하는 데 부적합함을 발견한다.
• OPERA 데이터만을 대상으로 선형 피팅에 오프셋을 적용하여 질량 척도 5×10³ TeV와 截距 2.0×10⁻⁵를 도출하였으며, 이는 OPERA의 에너지 범위 내에서 매우 잘 맞는다.
• OPERA 스케일의 선형 행동과 SN1987a 제약 조건 사이에 부드러운 보간 함수를 구축하여, δv/c에 대해 제안된 E⁴ 의존성을 도출한다.
• 현상학적 공식 δβ = δβ_OP × (E_GeV² / (E_GeV² + 1.0))²를 유도하였으며, 이는 OPERA와 SN1987a 제약 조건 사이를 보간한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OPERA에서 보고한 초광속 중성미자 속도의 에너지 의존성이 SN1987a의 시간 제약 조건과 조율될 수 있는가?
• RQ2 Coleman-Glashow 또는 양자 중력 기반 분산 관계가 OPERA 및 SN1987a 데이터를 충분히 기술하는가?
• RQ3 OPERA 데이터에 잘 맞고 동시에 SN1987a 도착 시간 상한선과 일치하는 δv/c의 현상학적 에너지 의존성이 존재하는가?
• RQ4 δv/c가 비선형 방식으로 에너지에 의존할 경우 중성미자 진동 모델에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 미래 실험은 제안된 δv/c의 E⁴ 의존성을 초신성 에너지 근처에서 어떻게 검증할 수 있는가?

주요 결과

• Coleman-Glashow 분산 관계는 에너지 의존성이 예측된 바에 따라 OPERA 및 SN1987a 데이터를 조율하지 못하며, 특히 그 에너지 의존성 때문에 실패한다.
• 양자 중력 기반 분산 관계는 제안된 보간 모델보다 훨씬 열악한 성능을 보인다.
• OPERA 데이터에만 적용한 선형 피팅에 오프셋을 적용한 결과, 질량 척도 5×10³ TeV와 截距 2.0×10⁻⁵를 도출하였으며, 이는 데이터와 매우 잘 맞는다.
• 제안된 보간 모델은 초신성 에너지 근처에서 δv/c에 대해 제4차 에너지 의존성(E⁴)을 예측하며, 이는 OPERA 및 SN1987a 양쪽과 모두 일치한다.
• 1 GeV에서 모델은 OPERA에서 28.1 GeV에서 보고한 값의 1/5 수준의 δv/c를 예측하며, 이는 고에너지에서 강한 에너지 의존성이 있음을 시사한다.
• SN1987a 도착 시간 상한선은 여전히 초광속 중성미자 속도를 허용하므로, 일부 가정과는 달리 데이터는 이러한 행동을 배제하지 않는다.