[논문 리뷰] Superluminal Dark Neutrinos

I. Ya. Aref’eva, И. В. Волович|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 03.

Noncommutative and Quantum Gravity Theories참고 문헌 31인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 OPERA 실험에서 제기한 초광속 중성자기류가, 새로운 어둠의 중성자(질량 혼합을 통해만 결합하는)가 빛보다 빠르게 전파될 경우 알려진 물리학과 일관될 수 있다고 제안한다. 쌍방향 브레멘스트랄링 같은 에너지 손실 메커니즘을 피하는 테이키온성 또는 로렌츠 위반 어둠의 중성자 섹터를 도입함으로써, 이 모델은 OPERA의 60 ns 이른 도착을 설명하면서도 MINOS와 SN1987a 제약 조건과도 일치한다.

ABSTRACT

The OPERA collaboration has claimed the discovery of supeluminal neutrino propagation. However the superluminal interpretation of the OPERA result was refuted by Cohen and Glashow because it was shown that such superluminal neutrinos would lose energy rapidly via the bremsstrahlung of electron-positron pairs (arXiv:1109.6562). We note that the superluminal interpretation is still possible if there exists a new (dark) neutrino which can propagate with a superluminal velocity and which couples with usual neutrinos only via the mass mixing leading to neutrino oscillations. It is supposed that the physical laws are invariant under rotations and translations in a preferred reference frame. Two possible pictures to parameterize departures from Lorentz invariance are discussed: a "conventional" tachyonic dark neutrino and the modification of the Lagrangian by adding perturbations with the maximum attainable speed of the dark neutrino which is larger than the speed of light in vacuum. We analyze also the MINOS and SN1987a data and show that they are consistent with the conjecture that there exists the superluminal dark neutrino.

연구 동기 및 목표

• OPERA 실험의 초광속 중성자 제안과 Cohen-Glashow의 에너지 손실 제약 조건 사이의 갈등을 해결하기 위해.
• 빠른 중성자가 질량 혼합을 통해만 결합하는 어둠의 섹터 입자일 경우 초광속 전파가 가능할 수 있는지 탐구하기 위해.
• 초광속 어둠의 중성자 가정 하에 MINOS와 SN1987a의 기존 데이터를 분석하기 위해.
• 로렌츠 위반 어둠의 중성자 역학을 포함하는 장 이론 모델을 구축하여 급격한 에너지 손실을 피하기 위해.

제안 방법

• 표준 중성자 장 φ와 초광속 테이키온성 어둠의 장 χ를 포함하는 이중 장 라그랑지안을 도입하며, 이들은 이항 상호작용 λφχ로 연결된다.
• 플라버 기저 상태(φ, χ)에서 질량 기저 상태(φ₁, φ₂)로의 전환을 위해 PMNS 유사 혼합 행렬을 사용하여 입자 진동을 가능하게 한다.
• 양자 상태 진동을 기술하고 물리적 φ 입자의 효과적 속도를 계산하기 위해 보골리우브 변환을 적용한다.
• 에너지에 따라 변하는 속도 표현식 v = p[cos²θ / √(p² + κ₁²) + sin²θ / √(p² − κ₂²)]을 유도하며, 고에너지에서 초광속 행동이 나타남을 보여준다.
• 코hen-글라쇼의 영감을 얻어 고정된 시적 벡터를 사용한 로렌츠 비반영성의 다른 매개화를 고려한다.
• 진동과 전파를 기술하는 앰플리튜드 ⟨f|e⁻ⁱᵗᴴ|f⟩를 분석하며, 어둠의 섹터는 추적하여 물리적 중성자 역학을 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 쌍방향 브레멘스트랄링(νμ → νμ + e⁺ + e⁻)을 통한 급격한 에너지 손실이 없을 경우 초광속 중성자 전파가 가능할 수 있는가?
• RQ2 Cohen과 Glashow의 에너지 손실 논거를 회피할 수 있는 초광속 중성자 전파 메커니즘이 존재하는가?
• RQ3 OPERA 이상 현상은 표준 약한 상호작용을 통해가 아니라 질량 혼합을 통해만 결합하는 어둠의 중성자로 설명될 수 있는가?
• RQ4 MINOS와 SN1987a 데이터는 초광속 어둠의 중성자 모델과 일치하는가?
• RQ5 빠른 진공 붕괴나 불일치를 유도하지 않으면서도, 로렌츠 위반을 중성자 장 이론에 일관되게 통합할 수 있는가?

주요 결과

• 어둠의 중성자가 표준 약한 전류를 통해가 아니라 질량 혼합을 통해만 결합하므로, 쌍방향 브레멘스트랄링(νμ → νμ + e⁺ + e⁻)이 발생하지 않는다.
• 테이키온성 어둠의 중성자 χ와의 양자 혼합으로 인해 물리적 중성자(φ)의 효과적 속도는 빛의 속도를 초월할 수 있다.
• 에너지에 따라 변하는 속도 표현식은 고운동량 영역에서 초광속 행동을 보이며, OPERA 결과의 δ ≈ 2.5×10⁻⁵와 일치한다.
• MINOS 데이터의 δ ≈ 5×10⁻⁵는 모델과 일치한다. 이는 에너지 범위가 강한 에너지 손실을 유도하는 임계 임계점 이하이기 때문이다.
• SN1987a 제약 조건(|δ| < 2×10⁻⁹, 10 MeV에서)은 어둠의 중성자의 초광속 효과가 저에너지에서 억제되기 때문에 충족된다.
• 테이키온성 및 코hen-글라쇼 유형의 로렌츠 위반 매개화 모두에서 모델은 유지 가능하며, 이는 초광속 중성자 전파를 위한 강력한 프레임워크를 시사한다.