[논문 리뷰] OPERA Collaboration have observed phase speed of neutrino wave function

Shi-Yuan Li|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 03.

Neutrino Physics Research인용 수 2

한 줄 요약

논문은 중성자파동함수의 위상속도가 그룹속도가 아니라, 비행 중 파동함수 변형이 π 중입자 붕괴로 인해 발생함에 따라 OPERA 협동연구진이 중성자 위상속도를 측정했을 수 있다고 제안한다. 브릴루아인의 작업에서 영감을 얻은 단순 모델을 사용하여, 유한한 π 중입자 수명이 100 ns의 시간 앞서는 신호를 유도할 수 있음을 보여주며, 이는 중성자 생성 사건이 희박할 경우 관측된 이상 현상과 일치한다.

ABSTRACT

First we call the attention that velocity defined by ratio between some intervals of space and time respectively is sometimes ambiguous, in the framework of quantum theory. Velocity in general is not possible to be well defined as some generator of certain space-time symmetry operation. Then in section 3 by analyzing the OPERA experiment we show that the OPERA Collaboration may have measured the phase speed of the neutrino wave function. Employing a very (maybe too) simple model which is just a reproduction from Brillouin's classical book, we demonstrate the phase velocity and group velocity. These are just a qualitative illustration rather than aiming to quantitively explain the OPERA data. However, how to rigorously define the phase containing the particle production ordering information as a space-time distribution observable in QFT needs more investigations. Due to the finite life time of the pions (w.r.t. its flying time in the 1 km long tunnel) which decay to the muon neutrinos, the wave form for neutrinos recorded by OPERA is deformed from that of the proton. Such an effect is estimated to lead to an advanced time displacement of the order of 100ns, which coincides with the measured. Such an effect can only be significant when measuring phase speed and the recorded neutrino events per extraction of proton smaller than one, as the OPERA case.

연구 동기 및 목표

• OPERA 실험에서 관측된 이례적인 중성자 속도 측정이 그룹속도가 아니라 위상속도에서 기인할 수 있는지 조사하기.
• 특히 시공간 대칭성의 생성자로서의 역할을 고려할 때 양자이론 내에서 속도 정의의 모호성 검토하기.
• 비행 중 유한한 π 중입자 수명이 중성자 파동함수를 어떻게 변형시키고, 이로 인해 시간 측정에 어떤 영향을 미치는지 탐구하기.
• 이러한 변형이 실제로 OPERA에서 관측된 100 ns 이상 현상과 일치하는 시간 앞서기 신호를 생성할 수 있는지 평가하기.
• 입자 생성 순서를 고려한 양자장론(QFT)에서 위상 정보를 포함하는 관측 가능량을 철저히 정의할 필요성 강조하기.

제안 방법

• 파동함수 전파의 관점에서 OPERA 실험 데이터 분석을 통해 위상속도와 그룹속도를 구분하기.
• 브릴루아인의 파동패킷에 대한 고전적 처리에서 영감을 얻은 단순 모델을 적용하여 위상속도와 그룹속도의 행동 특성 시각화하기.
• CNGS 비트라인에서 1km 비행 동안 π 중입자 붕괴로 인한 중성자 파동함수의 변형을 모델링하기.
• 유한한 π 중입자 수명이 비행 시간 대비 유도하는 시간 이동을 추정하기 (단, 프로톤 추출 당 사건 빈도가 낮다고 가정함).
• 실제 OPERA 설정에서와 같이 프로톤 추출 당 기록된 중성자 사건 수가 1 미만인 조건에 집중하기.
• 정량적 QFT 계산에 의존하기보다는, 정성적인 파동함수 변형을 통해 관측된 약 100ns의 시간 앞서기 현상 설명하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OPERA 이상 현상은 중성자 파동함수의 위상속도가 그룹속도가 아니라면 설명될 수 있는가?
• RQ2 비행 중 π 중입자의 유한한 수명은 중성자 파동함수의 형태와 타이밍에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 왜 기록된 중성자 사건 수가 프로톤 추출 당 1 미만일 때만 시간 앞서기 신호가 뚜렷한가?
• RQ4 파동함수 변형은 어떻게 보이게 초광속 중성자 속도를 유도하는가?
• RQ5 특히 생성 순서에 대한 고려가 필요한 상황에서, 양자장론(QFT)에서 양자장의 위상을 시공간 분포 관측 가능량으로 엄밀히 정의할 수 있는가?

주요 결과

• OPERA 협동연구진은 중성자 파동함수의 위상속도를 측정했을 수 있으나, 그룹속도는 아닐 수 있다. 이는 파동함수 변형 때문이었다.
• 1km 비행 중 유한한 π 중입자 수명은 중성자 파동패킷의 시간 앞서기 이동을 약 100ns 유도한다.
• 이러한 시간 앞서기 효과는 프로톤 추출 당 사건 수가 1 미만인 낮은 사건 빈도 조건에서만 뚜렷하다. OPERA 실험의 조건과 일치한다.
• 관측된 약 100ns 이상 현상은 π 중입자 붕괴로 인한 파동함수에 대한 추정된 시간 이동과 일치한다.
• 위상속도 효과는 고빈도 상황에서는 감지되지 않으며, 이는 이상 현상이 고통계 조건에서는 관측되지 않는 이유를 설명한다.
• 본 연구는 입자 생성 순서를 반영한 양자장론(QFT)에서 위상 정보를 포함하는 관측 가능량에 대한 더 엄밀한 정의 필요성을 강조한다.