[논문 리뷰] Superluminal neutrinos and domain walls

Peng Wang, Houwen Wu외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 30.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 55인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 슈퍼루미널 뉴트리노가 OPERA 실험에서 관측된 현상이 시공간의 도메인 월에서 비롯될 수 있다고 제안한다. 여기서 스칼라 장이 뉴트리노와 광자에 대해 다르게 결합하여 그 효과적인 전파 속도를 변화시킨다. 이 모델은 뉴트리노의 z방향에서 수정된 메트릭을 통해 60 ns의 조기 도착을 설명하며, 두 가지 시나리오 — 공면 평면 정렬 또는 간격이 은하간 거리에 비해 얇은 도메인 월 — 를 통해 OPERA 결과와 SN1987A 제약 조건을 조화시킨다.

ABSTRACT

In this letter, we propose that the recent measurement of superluminal neutrinos in OPERA could be explained by the existence of a domain wall which is left behind after the phase transition of some scalar field in the universe. The scalar field couples to the neutrino and photon field with different effective couplings. It causes different effective metrics and the emergence of superluminal neutrinos. Moreover, if the supernova and the earth are in the same plane parallel to the wall, or the thickness of the wall is much smaller than the distance from the supernova to the earth, the contradiction between OPERA and SN1987a can be reconciled.

연구 동기 및 목표

• 730 km 거리에서 뮤온 뉴트리노가 빛보다 60 ns 빨리 도착한 OPERA 실험의 관측을 설명하기 위해.
• 뉴트리노가 빛보다 초과된 지연 없이 도착한 SN1987A와의 명백한 모순을 해결하기 위해.
• 스칼라 장에 의한 자발적 로렌츠 대칭 위반을 통해 뉴트리노 전파 속도를 수정하되, 기본 대칭을 위반하지 않는 메커니즘을 제안하기 위해.
• OPERA 및 SN1987A 데이터로부터 도메인 월 두께와 결합 상수에 대한 제약 조건을 유도하기 위해.

제안 방법

• 실수 스칼라 장 φ, 디рак 뉴트리노 ψ, 그리고 전자기장 Aμ를 포함하는 효과적 라그랑지안을 도입하며, 결합 상수 g와 g′를 가진 고차원 연산자를 포함한다.
• 도메인 월 프로파일 φ_w(z) = σ tanh(z/Δ)를 가정하여, z=0에서 xy 평면에 국한된 구조를 만들며, 두께 Δ는 σ와 λ에 의해 결정된다.
• 뉴트리노의 효과적 메트릭을 유도하며, 이는 gσ²/(M⁴Δ²cosh⁴(z/Δ)) 비례 항을 통해 z방향 속도를 수정하여 초광속 전파를 가능하게 한다.
• 수정된 메트릭을 포함한 z방향 뉴트리노 이동 시간을 적분으로 계산하며, 미소한 편차에 대해 타일러 전개를 사용해 근사한다.
• OPERA에서 측정된 지연 δ_OPERA ≈ 2.48×10⁻⁵를 사용해 매개변수 조합 (gσ²)/(M⁴Δ²) ≥ 10⁻⁵ 를 제약한다.
• SN1987A와의 조화를 위해 두 가지 시나리오를 분석한다: (1) SN과 지구가 도메인 월에 평행한 동일 평면에 있을 경우, 속도 차이 없음; (2) 얇은 벽 조건 Δ ≪ L_SN 에서 δ_SN ≪ δ_OPERA 가 되어, δ_SN/δ_OPERA ≲ 10⁻⁴ 및 Δ ≲ 100 ly 가 된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스페이스타임 내 도메인 월이 로렌츠 대칭을 위반하지 않으면서 OPERA 실험에서 관측된 60 ns 조기 도착 뉴트리노를 설명할 수 있는가?
• RQ2 OPERA에서 관측된 슈퍼루미널 뉴트리노 효과는 SN1987A에서 뉴트리노가 광자와 거의 동시에 도착한 사실과 어떻게 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ3 모델이 OPERA 결과를 재현하기 위해 필요한 물리적 매개변수 — 도메인 월 두께 Δ 및 결합 강도 — 는 무엇인가?
• RQ4 뉴트리노 기준선 방향이 도메인 월에 비해 영향을 받는가? 이는 실험적으로 검증 가능한가?
• RQ5 SN1987A 데이터는 도메인 월 두께와 결합 스케일에 어떤 제약을 가하는가?

주요 결과

• 모델은 도메인 월에 수직인 방향(z방향)에서 뉴트리노가 빛보다 빠르게 전파될 수 있음을 예측하며, 이는 gσ²/(M⁴Δ²cosh⁴(z/Δ)) 비례 항을 포함하는 수정된 효과적 메트릭 덕분이다.
• OPERA 지연 δ_OPERA ≈ 2.48×10⁻⁵ 를 재현하기 위해 매개변수 조합 (gσ²)/(M⁴Δ²) ≥ 10⁻⁵ 여야 한다.
• 만약 초신성과 지구가 도메인 월에 평행한 동일 평면에 있다면, 뉴트리노와 광자는 동일한 속도로 이동하므로 SN1987A의 모순이 해소된다.
• 만약 도메인 월이 얇다(Δ ≪ L_SN ≈ 1.6×10⁶ ly)면, SN1987A 지연 δ_SN 은 Δ/L_SN 배수로 억제되어 δ_SN/δ_OPERA ≲ 10⁻⁴ 및 Δ ≲ 100 ly 가 된다.
• 모델은 뉴트리노 기준선 방향이 도메인 월에 따라 지연에 영향을 미친다고 예측하며, 향후 방향 측정을 통해 이 모델을 실험적으로 검증할 수 있다.
• 지구와 함께 움직이는 도메인 월의 두께 Δ는 10⁻⁹ ly 이상이어야 하며, 정지해 있는 경우 3년간 태양의 운동에 의해 결정되는 10⁻³ ly 이상이어야 하며, SN1987A 제약 조건을 만족하기 위해 최대 두께는 약 100 ly 이하여야 한다.