[论文解读] Superluminal neutrinos and domain walls

Peng Wang, Houwen Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 55被引用 21

一句话总结

本文提出，OPERA实验中观测到的超光速中微子可能是时空中一种域壁导致的，该域壁使标量场对中微子和光子的耦合不同，从而改变它们的有效传播速度。该模型通过在z方向上修改中微子的度规，解释了提前60纳秒到达的现象，并通过两种情形——平面共面排列或相对于星际距离较薄的域壁——使OPERA结果与SN1987A的约束相协调。

ABSTRACT

In this letter, we propose that the recent measurement of superluminal neutrinos in OPERA could be explained by the existence of a domain wall which is left behind after the phase transition of some scalar field in the universe. The scalar field couples to the neutrino and photon field with different effective couplings. It causes different effective metrics and the emergence of superluminal neutrinos. Moreover, if the supernova and the earth are in the same plane parallel to the wall, or the thickness of the wall is much smaller than the distance from the supernova to the earth, the contradiction between OPERA and SN1987a can be reconciled.

研究动机与目标

• 解释OPERA实验中μ中微子在730公里距离内比光提前60纳秒到达的现象。
• 解决与SN1987A观测之间的明显矛盾：在SN1987A中，中微子与光子几乎同时到达，而非表现出超光速延迟。
• 提出一种基于域壁引起的自发洛伦兹对称性破缺的机制，通过改变中微子传播速度来解释现象，同时不破坏基本对称性。
• 从OPERA和SN1987A数据中推导出域壁厚度与耦合参数的约束条件。

提出的方法

• 引入一个含实标量场φ、狄拉克中微子ψ和光子场Aμ的有效拉格朗日量，包含高维算符及其耦合常数g和g′。
• 假设域壁的剖面为φ_w(z) = σ tanh(z/Δ)，在xy平面内z=0处局域化，厚度Δ由σ和λ决定。
• 推导出中微子的有效度规，其在z方向的速度因与gσ²/(M⁴Δ²cosh⁴(z/Δ))成正比的项而被修改，导致超光速传播。
• 通过包含修改后度规的积分计算中微子沿z方向的传播时间，对小偏离量使用泰勒展开进行近似。
• 利用OPERA测得的延迟δ_OPERA ≈ 2.48×10⁻⁵，约束参数组合(gσ²)/(M⁴Δ²) ≥ 10⁻⁵。
• 分析两种情形以协调SN1987A数据：(1) 超新星与地球位于与域壁平行的同一平面内，因此无速度差异；(2) 域壁极薄（Δ ≪ L_SN），导致δ_SN ≪ δ_OPERA。

实验结果

研究问题

• RQ1 时空中的域壁是否能解释OPERA实验中中微子提前60纳秒到达的现象，且不破坏洛伦兹不变性？
• RQ2 OPERA中观测到的超光速中微子效应如何与SN1987A中未观测到显著延迟的现象相协调？
• RQ3 为使模型重现OPERA结果，所需物理参数（如域壁厚度Δ和耦合强度）为何值？
• RQ4 中微子基线方向相对于域壁是否影响预测的延迟？该效应能否通过实验检验？
• RQ5 SN1987A数据对域壁厚度和耦合尺度施加了何种约束？

主要发现

• 该模型预测，中微子在垂直于域壁的方向（z方向）可超光速传播，原因在于其有效度规中存在∝ gσ²/(M⁴Δ²cosh⁴(z/Δ))的修正项。
• 为重现OPERA延迟δ_OPERA ≈ 2.48×10⁻⁵，参数组合(gσ²)/(M⁴Δ²)必须满足≥ 10⁻⁵。
• 若超新星与地球位于与域壁平行的同一平面内，则中微子与光子以相同速度传播，从而解决SN1987A的矛盾。
• 若域壁极薄（Δ ≪ L_SN ≈ 1.6×10⁶ ly），SN1987A的延迟δ_SN将被Δ/L_SN因子抑制，导致δ_SN/δ_OPERA ≲ 10⁻⁴，且Δ ≲ 100 ly。
• 该模型预测，中微子基线方向相对于域壁会影响延迟，提示未来的方向性测量可能用于检验该模型。
• 若域壁随地球运动，则其厚度Δ必须大于10⁻⁹ ly（地球尺度）；若为静止，则为10⁻³ ly（太阳在3年内运动的距离），且最大厚度约为100 ly，以满足SN1987A的约束。