[論文レビュー] A simple explanation of OPERA results without strange physics

Gilles Henri|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、OPERA実験で観測された光を超える速度でのニュートリノ信号が、光速を超える移動によるものではなく、ニュートリノビームのエネルギー分布の時間的変動に起因するものであると提案する。ビームの上昇・減衰時間スケールにおいて平均断面積が10%低下することで、検出されたパルス形状がずれ、相対性理論に反しないまま観測された60 nsの見かけ上の時間遅れを生じうる。

ABSTRACT

We show that OPERA recent results showing an apparent superluminal velocity of muonic neutrinos can find a very simple explanation without any measurement error or any strange physics. Namely, it is enough that the beam composition varies during the leading and the trailing edges to explain an apparent time shift in the detected neutrinos. The order of magnitude of the shift will be the relative variation of the average cross-section times the rising/decaying time, and even a modest change in the composition of the beam could produce the observed effect.

研究の動機と目的

• 相対性理論を破る、もしくは測定誤差を仮定しないで、OPERAの見かけ上の光速超過ニュートリノ結果を解消すること。
• tachyonic もしくはローレンツ対称性の破れモデルが予測するエネルギー依存性とは対照的に、観測された時間シフトにエネルギー依存性がないという謎を解明すること。
• パルス端におけるビーム組成のダイナミクスに基づく、従来の説明を提示すること。
• 時間的に変化する相互作用断面積によるパルス形状の歪みが、時間飛行遅延を模倣できることを示すこと。

提案手法

• 上昇・減衰エッジを表すためにロジスティック関数を用いてニュートリノビーム強度をモデル化する。
• 時間依存の有効断面積 σ(τ) = σi(1 + ϵ/(1 + e−τ)) を導入し、変化するビームエネルギー組成を表現する。
• 強度と時間依存断面積の積として、見かけのフラックス Fapp ∝ I(τ)σ(τ) を導出する。
• 試行関数 I(τ) = I0/(1 + e−(τ−∆τ)) を用いて見かけの信号に時間ずれを適用し、見かけの時間遅延 ∆τ を抽出する。
• 一次近似を用いて ∆τ ≈ ϵ を示し、時間シフトを相対的断面積変化 ϵ に直接結びつける。
• 数値シミュレーションにより結果を確認し、ϵ = −0.2 の場合に ∆τ = −0.24 が得られ、解析的推定値と一致することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OPERAのニュートリノ時間シフトは、ローレンツ不変性を破る、もしくは測定誤差を導入しないで説明可能か？
• RQ2 光速超過の速度依存性が予想される中、観測された時間シフトがニュートリノエネルギーにほとんど依存しないのはなぜか？
• RQ3 時間的に変化するビームエネルギースペクトルが、超光速伝播を模倣するパルス形状の歪みを生じうるか？
• RQ4 観測された60 nsのシフトは、パルス期間中に平均相互作用断面積が10%変化することと整合的か？
• RQ5 時間シフトは基準距離ではなく、ビームパルス形状に依存するのか？

主な発見

• パルス上昇・減衰時間スケールにおいて平均ニュートリノ相互作用断面積が10%相対的に低下すると、見かけの60 nsの時間遅れが生じる。
• 見かけの時間シフト ∆τ は、断面積の相対的変化 ϵ にほぼ等しく、小刻みな ϵ に対して ∆τ ≈ ϵ が成り立つ。
• この効果は、粒子が光速を超えて移動するのではなく、ビーム組成の変化によるパルス形状の歪みに起因する。
• このフレームワークでは断面積の変化がエネルギーに依存しないため、時間シフトにエネルギー依存性がないことの説明が可能である。
• 時間シフトは、ソースから検出器までの距離に依存せず、パルス形状と断面積の変化にのみ依存することが予測される。
• 数値最適化により解析的推定値が確認され、ϵ = −0.2 の場合に ∆τ = −0.24 が得られ、1次近似では真の信号と区別できない。