[論文レビュー] Apparent faster than light propagation from light sterile neutrinos

Steen Hannestad, Martin S. Sloth|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、OPERAおよびMINOSで観測された顕著な光速超過ニュートリノの伝播が、4次元のブレーンに閉じ込められている一方で、より高い次元のブULKを光よりも速く伝播する軽量の不活性ニュートリノと混合するミューオンニュートリノに起因する可能性を提案する。このモデルは、エネルギーに依存しない光速超過の信号を説明し、SN1987Aの制約を回避する。これは、光速を超えて伝播するニュートリノの割合がわずかであるためであり、ブULKではローレンツ不変性を保ちつつ、ブレーン上では効果的に破れる。

ABSTRACT

Recent data from the OPERA experiment seem to point to neutrinos propagating faster than light. One possible physics explanation for such a result is the existence of light sterile neutrinos which can propagate in a higher dimensional bulk and achieve apparent superluminal velocities when measured by an observer confined to the 4D brane of the standard model. Such a model has the advantage of easily being able to explain the non-observation of superluminal neutrinos from SN1987A. Here we discuss the phenomenological implications of such a model and show that it can provide an explanation for the observed faster than light propagation of neutrinos.

研究の動機と目的

• 基本的な理論においてローレンツ不変性を破らない範囲で、OPERAおよびMINOS実験で観測された顕著な光速超過ニュートリノ伝播を説明すること。
• 光速超過ニュートリノ信号とSN1987Aでそのような効果が観測されなかったという事実との矛盾を解消すること。
• ミューオンニュートリノが高次元のブULK内の軽量不活性ニュートリノと混合することで、ニュートリノの一部が光速を超えて伝播するメカニズムを提案すること。
• ミューオンニュートリノ系に限ってローレンツ破れを制限することで、電子およびミューオンの速度測定に対する強い制約を回避すること。
• 観測されたエネルギーに依存しない光速超過信号を説明するための現象論的妥当性を検証すること。

提案手法

• 標準模型粒子が閉じ込められる4次元のブレーンと1つの余剰空間次元を持つブレーン・ワールドの設定において、ニュートリノの伝播をモデル化する。不活性ニュートリノはブULKを自由に伝播できる。
• 余剰次元における非自明なワーピングを持つ計量を用い、ブULK内での測地線が短くなるようにすることで、4次元のブレーンに投影した際に顕著な光速超過伝播が可能になるようにする。
• アクティブなミューオンニュートリノと軽量不活性ニュートリノの間の2ニュートリノ混合を適用し、混合角θと質量差Δm²を用いる。
• 観測されるニュートリノビームの有効速度を、アクティブ成分と不活性成分の重み付き平均として計算し、不活性成分が光速超過伝播を寄与する。
• 不活性状態に起因するイベントの割合をsin⁴θ_effとして評価し、これにより観測される光速超過信号の強度が決まる。
• SN1987Aからの制約を評価し、光速を超えて伝播するニュートリノの割合がわずかであるため、早期到着イベントが検出されにくくなる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OPERAおよびMINOSでの顕著な光速超過ニュートリノ伝播は、基本理論におけるローレンツ不変性を破らずに説明可能か？
• RQ2 SN1987Aから光速超過ニュートリノが観測されなかったのに対し、OPERAの信号はどのようにして整合するか？
• RQ3 軽量不活性ニュートリノの混合が、エネルギーに依存しない光速超過信号を生成する役割を果たすか？
• RQ4 ミューオンニュートリノ系に限ってローレンツ破れを制限することで、ミューオンおよび電子の速度測定の実験的制約と矛盾しないか？
• RQ5 OPERAの信号と宇宙論的・天体的制約を両立させるために、有効な混合パラメータ（θ, Δm²）はどのような範囲に制限されるか？

主な発見

• モデルは、エネルギーに依存しない光速超過信号を、高次元のブULK内を伝播するニュートリノの一部が軽量不活性ニュートリノとして伝播することに起因すると説明する。
• 光速を超えて伝播するのはニュートリノのわずかな割合（sin⁴θ_effに比例）であり、SN1987Aでは早期到着イベントがわずかであるため検出されない。
• 混合角がsin²θ_eff ≲ 0.2である限り、SN1987Aの制約は回避される。これは、1件未満のイベントが著しく早期に到着すると予想されるためである。
• 長基線および多数の振動を経た極限において、観測される光速超過速度はニュートリノエネルギーに依存しないと予測され、OPERAおよびMINOSのデータと整合する。
• 混合角がsin²θ ≈ 0.2の場合、観測信号を再現するには不活性ニュートリノがδv/c ≈ 6×10⁻⁴の速度で伝播する必要があり、これはミューオン速度の制約と矛盾する可能性がある。
• 混合角が小さすぎず、かつミューオンの消失および速度制約と矛盾しない範囲で、検出可能な信号を生成できる限り、モデルは妥当性を保つ。