[논문 리뷰] Quantum-Mechanics of $ u$ and GSI oscillations for pedestrians : Relativistic quantum field theory is useless

Harry J. Lipkin|arXiv (Cornell University)|2010. 03. 21.

Neutrino Physics Research참고 문헌 1인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 GSI 실험에서 K-포획 붕괴 진동을 통해 중성미온의 질량 차이를 측정하기 위해 상대론적 양자장 이론을 사용하지 않는 접근법을 제안한다. 운동량 공간에서 질량과 운동량이 다른 중성미오 상태의 응축된 중첩을 분석함으로써, 이 모델은 KAMLAND 데이터와 10% 이내로 일치하는 진동 주기를 예측한다. 이는 중성미오 탐지가 질량 차이 측정에 필요하지 않음을 보여준다.

ABSTRACT

GSI experiment studying oscillations in K-capture decay of radioactive ion investigates neutrino masses and mixing without detecting neutrino. Even when neutrino is not detected quantum mechanics relates initial and final states. The basic physics is very simple. Neutrinos emitted in beta decay are coherent linear combinations of states with different masses, different momenta and same energy. Since the weak interaction producing the neutrino conserves momentum, the initial state before the transition must also contain a coherent linear combination of states with the same momentum difference and a well defined relative magnitude and phase. A one-particle state with a definite momentum difference also has an easily calculated energy difference. In the time interval between creation of the ion and its decay a linear combination of two states with different energies oscillates in time. Measuring the oscillation period gives a value for the difference between squared neutrino masses of the two neutrino mass eigenstates. The value obtained from a crude approximation with no free parameters for this two-slit or which path experiment in momentum space differs by less than 10% from the result observed in the KAMLAND experiment. Observing only ion disappearance without detecting neutrino avoids signal suppression by low neutrino absorption cross section

연구 동기 및 목표

• K-포획 붕괴 실험에서 직접 중성미오 탐지를 요구하지 않고도 중성미오 질량 차이를 조사하는 것.
• 상대론적 양자장 이론 없이도 운동량 공간에서 중성미오 진동을 기술할 수 있는 양자역학만으로도 가능함을 보여주는 것.
• 붕괴 과정에서 이온의 소멸이 중성미오 질량 분할의 대체 측정 지표가 될 수 있음을 보여주는 것.
• 다른 운동량과 에너지를 가진 질량 고유상태의 응축된 중첩에 기반한 단순하고 매개변수 없는 중성미오 진동 모델을 제공하는 것.
• 시작 상태와 최종 상태의 운동량 공간에서의 응축된 위상만을 사용하여 GSI 실험에서 관측된 진동 주기를 설명하는 것.

제안 방법

• 시작 상태를 동일한 에너지와 잘 정의된 운동량 차이를 가진 두 개의 중성미오 질량 고유상태의 응축된 중첩으로 모델링한다.
• 약한 상호작용이 운동량을 보존한다는 원리를 적용하여, 두 운동량 상태 간의 상대 위상과 크기가 정확히 정의되어야 한다는 조건을 설정한다.
• 두 상태 간의 에너지 차이를 그들의 운동량과 질량 차이에 기반해 계산한다.
• 상태의 시간 진동을 통해 이온 생성과 붕괴 사이의 시간 간격에서의 진동 주기를 유도한다.
• 진동 주기를 직접적으로 중성미오 질량 제곱의 차이와 연결한다.
• 모델이 예측한 진동 주기를 KAMLAND 실험에서 관측된 값과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 K-포획 붕괴 실험에서 중성미오를 탐지하지 않고도 중성미오 질량 차이를 측정할 수 있는가?
• RQ2 시작 상태의 운동량 중첩의 응축성은 운동량 공간에서의 진동 행동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 다른 운동량과 질량을 가진 두 개의 중성미오 질량 고유상태가 응축된 중첩 상태에 있을 경우, 예측되는 진동 주기는 무엇인가?
• RQ4 이 모델이 예측한 진동 주기는 KAMLAND 실험 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 맥락에서 중성미오 진동을 기술할 때 상대론적 양자장 이론을 피할 수 있는가?

주요 결과

• 이 모델은 두 중성미오 질량 고유상태의 중첩에 대해 예측한 진동 주기가 KAMLAND 결과와 10% 이내로 일치한다.
• 모델은 자유 매개변수 없이, 시작 상태의 응축된 운동량 중첩과 에너지 차이에만 기반한다.
• 진동은 중성미오 탐지 없이도 다른 에너지를 가진 상태의 중첩의 시간 진동으로 발생한다.
• GSI 실험에서 관측된 이온 소멸 비율이 중성미오 질량 분할의 측정 가능한 신호로 기능한다.
• 약한 상호작용의 운동량 보존 원리는 시작 상태 중첩에서 상대 위상과 크기가 잘 정의되어 있음을 강제한다.
• 모델은 관측된 진동을 기술하기 위해 상대론적 양자장 이론이 반드시 필요하지 않음을 보여준다.