[논문 리뷰] Superluminal Neutrinos and Monopoles

Peng Wang, Houwen Wu외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 03.

Neutrino Physics Research참고 문헌 53인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 OPERA 실험에서 관측된 초광속 중성자미가 't Hooft-Polyakov 단극자와의 상호작용으로 인해 발생할 수 있다고 제안한다. 이 단극자는 중성자미에 대해서만 국소적으로 시공간을 왜곡하지만 광자는 영향을 받지 않는다. 단극자는 중성자미가 광자보다 항상 60 ns의 고정된 시간 앞서게 하여, OPERA 결과와 초신성 중성자미 데이터를 조화롭게 맞추며, 우주 끈은 타당한 설명으로서 배제된다.

ABSTRACT

In this letter, we show that superluminal neutrinos announced by OPERA could be explained by the existence of a monopole, which is left behind after the spontaneous symmetry breaking (SSB) phase transition of some scalar fields in the universe. We assume the 't Hooft-Polyakov monopole couples to the neutrinos but not photon fields. The monopole introduces a different effective metric to the neutrinos from the one experienced by photons. We find that the superluminal propagation only exists in a very short distance from the monopole, about $10^3$ cm in OPERA. No matter how far they travel, neutrinos always arrive earlier than photons by the same amount of time, provided a monopole existing on or close to their trajectories. This conclusion can be tested by future experiments. The result reconciles the contradiction between OPERA and supernova neutrinos. We further exclude cosmic strings as a possible theoretical explanation.

연구 동기 및 목표

• OPERA 실험에서 관측된 초광속 중성자미 결과와 SN 1987A에서 관측된 중성자미 도착 시간 사이의 모순을 해결하기 위해.
• 단극자와 같은 토폴로지 결함이 OPERA에서 관측된 60 ns의 중성자미 조기 도착을 설명할 수 있는지 탐구하기 위해.
• 초광속 중성자미 전파에 대한 이론적 설명으로서 단극자와 우주 끈 중 어느 것이 더 타당한지 테스트하기 위해.
• 단극자가 궤적 위에 있거나 그 근처에 있을 경우, 중성자미와 광자 간의 시간 차이가 총 이동 거리에 관계없이 일정하게 유지됨을 보여주기 위해.

제안 방법

• SU(2) 게이지 이론에서 자발적 대칭이 broken되어 U(1)로 남는 스칼라 트리플렛 힉스 장을 가정하며, 이로 인해 't Hooft-Polyakov 단극자가 생성된다.
• 게이지 장과 스칼라 장이 중성자미와만 상호작용하도록 라그랑지안에 비최소 상호작용 항을 도입한다. 광자는 이와 상호작용하지 않는다.
• 단극자의 장 프로파일에 기반하여 광자가 경험하는 민코프스키 계량틀과 다름없는 효과적 계량틀을 중성자미에 대해 유도한다.
• 단극자에 대한 BPS 솔리톤 해(λ→0)를 사용하여 단극자 근처의 단거리 영역에 집중적으로 중성자미 전파 시간을 해석적으로 평가한다.
• 반지름 좌표 ρ = m_w r 를 사용하여 광자와 중성자미 사이의 시간 차이 ∆t = t_c - t_ν 를 계산하며, 이는 주로 단극자에서 약 δ ~ 10^3 cm 정도 떨어진 영역에서 결정된다.
• 예측된 시간 지연을 OPERA의 60 ns 측정치와 비교하고, SN 1987A 중성자미 관측과의 일치성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단극자의 존재가 OPERA 실험에서 관측된 60 ns의 중성자미 조기 도착을 설명할 수 있는가?
• RQ2 단극자에 의한 시간 지연이 다양한 기준 거리에 걸쳐 일정하게 유지되는가? 이는 OPERA와 SN 1987A 데이터를 조화롭게 맞춘다.
• RQ3 우주 끈은 중성자미 전파를 변화시킬 수 있지만, 왜 이는 설명으로서 배제되는가?
• RQ4 단극자가 존재할 경우, 중성자미의 효과적 계량틀은 광자가 경험하는 것과 어떻게 다를까?
• RQ5 시간 지연이 주로 발생하는 공간 척도는 무엇이며, 이는 OPERA의 기준 거리와 어떻게 관련이 있는가?

주요 결과

• 단극자의 영향으로 인해 중성자미와 광자 간의 시간 차이는 총 이동 거리와 관계없이 약 60 ns로 고정되어 있다.
• 시간 지연의 주요 기여는 단극자 중심에서 약 δ ~ 10^3 cm 정도의 매우 짧은 영역에서 발생한다.
• 단극자의 효과는 국소적이다. 중성자미의 효과적 계량틀은 광자가 경험하는 민코프스키 계량틀과 달리 (D_μφ)^a(D^μφ)^a 항을 통한 결합으로 인해 다르다.
• 단극자에 대한 BPS 솔리톤 해는 κ ~ O(1) 이고 m_w ~ 100 GeV 일 때 OPERA 측정치와 일치하는 시간 지연을 유도한다.
• 우주 끈은 '결손 각도 재앙'으로 인해 배제된다. 이는 관측 가능한 중력 렌즈 효과를 일으키며, 주변 물질을 불안정하게 만들 것이므로, 이를 관측하지 못한 점에서 배제된다.
• 모델은 초신성 중성자미가 SN 1987A에서 유사한 조기 도착을 보이지 않은 이유를 설명한다. 그 궤적 위에 단극자가 존재할 확률은 극히 낮기 때문이다.