[논문 리뷰] Quantum Gravity effect on neutrino oscillations in a strong gravitational field

J. Miller, Roman Pasechnik|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 20.

Neutrino Physics Research인용 수 2

한 줄 요약

논문은 강한 중력장에서 에너지가 큰 중력보가 중성자율 상태에서의 양자 얽힘 붕괴를 중력보-중성자 입자 산란을 통해 유도한다고 제안한다. 이는 약한 상호작용에 의한 붕괴와 유사하다. 이 효과는 질량 고유상태에 대한 중력보의 결합으로 인해 발생하며, 천체물리적 중성자입자에서의 중성자율 조성 변화를 유도하여 고에너지 중력보의 간접 탐지가 가능하게 한다. 중성자입자 진동 관측을 통해 실현된다.

ABSTRACT

In the framework of quantum field theory, a graviton interacts locally with a quantum state having definite mass, i.e. the gravitational mass eigenstate, while a weak boson interacts with a state having definite flavor, i.e. the flavor eigenstate. An interaction of a neutrino with an energetic graviton may trigger the collapse of the neutrino to a definite mass eigenstate with probability expressed in terms of PMNS mixing matrix elements. Thus, gravitons would induce quantum decoherence of a coherent neutrino flavor state similarly to how weak bosons induce quantum decoherence of a neutrino in a definite mass state. We demonstrate that such an essentially quantum gravity effect may have strong consequences for neutrino oscillation phenomena in astrophysics due to relatively large scattering cross sections of relativistic neutrinos undergoing large-angle radiation of energetic gravitons in gravitational field of a classical massive source (i.e. the quasi-classical case of gravitational Bethe-Heitler scattering). This graviton-induced {\it decoherence} is compared to {\it decoherence} due to propagation in the presence of the Earth matter effect. Based on this study, we propose a new technique for the indirect detection of energetic gravitons by measuring the flavor composition of astrophysical neutrinos.

연구 동기 및 목표

• 강한 중력장에서의 중성자입자 진동에 미치는 양자 중력 효과의 영향을 조사한다.
• 중력보가 중성자입자와 상호작용하여 중성자율 고유상태에서 붕괴를 유도할 수 있는지 탐색한다. 이는 약한 보손 상호작용과 유사하다.
• 중성자입자 전파 중 지구 물질에 의한 붕괴와 중력보에 의한 붕괴를 비교한다.
• 천체물리적 중성자입자 중성자율 조성 측정을 통해 고에너지 중력보의 새로운 간접 탐지 방법을 제안한다.

제안 방법

• 양자장 이론을 사용하여 고전적 중력장에서 상대론적 중성자입자가 에너지가 큰 중력보와 상호작용하는 것을 모델링한다.
• 대각도 중력보 방출을 기술하기 위해 준고전적 중력 베티-헤이틀러 과정을 적용한다.
• 중력보 상호작용 시 중성자입자 상태가 질량 고유상태로 붕괴할 확률을 PMNS 혼합 행렬을 사용해 표현한다.
• 강한 중력장에서 상대론적 중성자입자가 중력보를 방출하는 산란 단면적을 계산한다.
• 중력보 상호작용에 의한 붕괴율을 지구 물질을 통과하는 중성자입자에 의한 붕괴율과 비교한다.
• 중력보에 의한 붕괴로 인한 중성자율 조성 변화에 대한 관측 가능 서명을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 중력장에서 중력보-중성자입자 상호작용이 중성자율 상태의 측정 가능한 붕괴를 유도할 수 있는가?
• RQ2 고전적 질량 소스가 존재할 경우 상대론적 중성자입자가 중력보를 방출하는 단면적은 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 중력보에 의한 붕괴의 크기와 지구 물질 효과에 의한 붕괴의 크기 사이에 상대적인 크기는 얼마인가?
• RQ4 천체물리적 중성자입자의 중성자율 조성은 고에너지 중력보의 존재를 추론하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 중성자입자 진동에서 다른 붕괴 메커니즘과 중력보에 의한 붕괴를 구별할 수 있는 관측 가능한 서명은 무엇인가?

주요 결과

• 중력보 상호작용은 중성자율 상태를 특정 질량 고유상태로 붕괴시켜 양자 붕괴를 유도하며, 이 확률은 PMNS 혼합 행렬 요소에 의해 결정된다.
• 강한 중력장에서 상대론적 중성자입자가 대각도 중력보를 방출하는 산란 단면적은 비교적 크며, 측정 가능한 효과를 유도할 수 있다.
• 중력보에 의한 붕괴는 강한 중력장에서 전파되는 천체물리적 중성자입자의 중성자율 조성에 측정 가능한 변화를 유도한다.
• 중력보에 의한 붕괴 효과는 지구 물질에 의한 붕괴 효과와 크기적으로 유사하여 관측 가능할 수 있다.
• 본 연구는 중력보에 의한 붕괴로 인한 천체물리적 중성자입자 중성자율 비율의 편이를 분석함으로써 고에너지 중력보의 새로운 간접 탐지 방법을 제안한다.