[论文解读] Gravitational Interaction of Neutrinos in Models with Large Extra Dimensions

Fabbrichesi, M., Piai, M.+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2000

Cosmology and Gravitation Theories被引用 2

一句话总结

本文研究了在大额外维模型中中微子的引力相互作用，表明由于体粒子与膜局域粒子的引力耦合不同，引力可导致四维中微子物理中等效原理的有效破坏。尽管引力对太阳中微子振荡而言过于微弱，但如果紧化方式非平凡，引力可能显著影响超高能宇宙中微子和惰性中微子物理，可能抑制混合角并扭曲能量谱。

ABSTRACT

We discuss the interplay between direct constraints on non-Newtonian gravity and particle-physics bounds in models with large extra dimensions. Existing and future bounds and the most effective ways of further testing these models in gravitational experiments are compared and discussed.

研究动机与目标

• 检验大额外维模型中的引力相互作用是否会导致四维中微子物理中等效原理的有效破坏。
• 评估引力在中微子振荡中的相关性，特别是涉及体惰性中微子和紧化额外维的情形。
• 比较引力效应与中微子过程中弱相互作用的强度，尤其是在高能区。
• 评估对额外维和引力耦合的实验约束，并确定引力效应可能变得可观测的参数区域。
• 探讨引力对中微子能量谱和混合参数的现象学影响，特别是在惰性中微子模型背景下的影响。

提出的方法

• 分析一个具有一个大额外维并紧化为半径 R ∼ 100 µm 的圆的模型，其中标准模型场局域于3-膜上，而体惰性中微子在高维体中传播。
• 应用Kaluza-Klein约化，得到一个包含一组质量本征的惰性中微子的四维有效理论，其通过狄拉克质量项 mD 与标准中微子耦合。
• 将短距离下因额外维而修正的引力势与物质中的弱相互作用势进行比较，使用有效耦合 αG ∼ M5^2 / MPl^2。
• 利用粒子物理、卡西米尔和卡文迪什型实验的实验约束，对额外维的大小和引力强度进行限制。
• 评估引力势对中微子在物质中传播的影响，重点关注能量依赖效应和混合角的抑制。
• 使用数量级估算，评估引力效应何时可能与弱相互作用相当，特别是在高能区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管引力通常很微弱，大额外维模型中的引力相互作用是否可能在中微子物理中产生可观测效应？
• RQ2 在何种条件下，膜局域粒子与体粒子的引力耦合不同，从而导致等效原理的有效破坏？
• RQ3 粒子物理和引力实验的实验约束如何限制与中微子物理相关的大型额外维模型的参数空间？
• RQ4 引力效应在中微子振荡中的大小如何，特别是对超高能宇宙中微子而言？
• RQ5 如果紧化方式比简单的环面紧化更复杂，引力是否可能在惰性中微子物理中扮演重要角色？

主要发现

• 在平坦环面紧化的最简单情形下，引力对太阳中微子振荡的影响小到可忽略不计。
• 对于超高能宇宙中微子，由于其独特的能量依赖性，引力相互作用可能变得显著，可能抑制有效混合角。
• 当 M5 ≥ 1.2 TeV 且紧化尺度 ρ ∼ 10−3 µm 时，引力耦合 αG 可达 ∼10，对应太阳中微子能量范围。
• 粒子物理和非牛顿引力实验的实验约束限制了参数空间，其中对撞机和卡西米尔实验对 δ = 1 最为敏感。
• 如果紧化方式非平凡（超越简单环面），引力可能影响低能惰性中微子物理，前提是满足所有现有惰性中微子约束。
• 该模型表明，引力可扭曲中微子能量谱，并由于额外的能量依赖引力势，改变振荡分析中的拟合参数。