[论文解读] An Interpretation of "Superluminal Neutrino" Compatible with Relativity in the Framework of Standard Model

Noboru Nakanishi|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文提出，通过假设真空中的光速测量值（$c_0$）低于真正的相对论性光速 $c$（由于分散夸克介质的存在），可以调和OPERA实验观测到的超光速中微子与相对论之间的矛盾。该模型基于量子色动力学（QCD）中修正的色禁闭条件，无需违反相对论或标准模型即可解释中微子速度异常，并与SN1987A中微子观测及其他高能实验结果保持一致。

ABSTRACT

According to the measurement of muon-neutrino experiment done by the OPERA collaboration, the speed of high-energy neutrino exceeds that of light in vacuum by 25ppm. Assuming that this result is correct, a possible resolution of the dilemma between it and the validity of relativity is proposed without changing the framework of the Standard Model of elementary particles. The essential idea is based on a possible resolution, proposed previously, of the color confinement problem of quantum chromodynamics.

研究动机与目标

• 调和OPERA实验观测到的超光速中微子结果与狭义相对论原理之间的明显矛盾。
• 通过将实验测得的光速（$c_0$）重新解释为低于真正的相对论性光速 $c$，在不破坏标准模型和相对论有效性的前提下维持其有效性。
• 在不引入快子或标准模型之外的新物理的前提下解释该异常现象。
• 确保与宇宙学观测的一致性，特别是SN1987A中微子爆发，该观测对中微子质量与传播速度构成约束。
• 通过假设地球附近存在分散夸克构成的局部介质，调和光子速度测量结果之间的矛盾，包括费米（Fermi）和HERA实验的结果。

提出的方法

• 通过在标准Kugo-Ojima条件中增加 $Q^a|\text{phys}\rangle = 0$，扩展了QCD中的色禁闭条件，确保所有带色态均为非物理态。
• 提出由带电夸克组成的分散夸克云作为介质，使光速降低至 $c_0 < c$，而中微子则不受该介质影响。
• 假设真正的光速 $c$ 为相对论常数，而 $c_0$ 为在富含夸克介质中测得的实验光速。
• 利用运动学关系 $v = c \sqrt{1 - (c_0/c)^2}$ 从OPERA结果推导中微子速度，得出 $v - c_0 \approx 25$ ppm。
• 将该模型应用于SN1987A，假设夸克云局限于高密度区域（如地球和超新星附近），因此中微子主要在真空中传播。
• 证明该模型通过在 $c_0 < v < c$ 时允许超光速中微子存在静止参考系，从而避免快子或因果性悖论。

实验结果

研究问题

• RQ1 OPERA实验观测到的超光速中微子能否在不违反标准模型的前提下，与狭义相对论相协调？
• RQ2 是否存在一种物理机制可解释为何 $c_0 < c$，而无需引入快子或新基本粒子？
• RQ3 该模型如何与SN1987A中微子观测保持一致，后者对中微子速度和质量构成约束？
• RQ4 为何高能实验（如SLAC和费米）不与 $c_0$ 较慢的假设相矛盾？
• RQ5 某些实验中观测到的光速能量依赖性是否可由地球附近的局部夸克云介质来解释？

主要发现

• 若 $c_0 < v < c$，其中 $c$ 为真空中真正的光速，则OPERA实验测得的 $ (v - c_0)/c_0 = 2.48 \pm 0.28 \pm 0.30 \times 10^{-5} $ 与相对论相容。
• 该模型预测中微子速度比 $c_0$ 快25 ppm，与OPERA测量结果一致，且不违反因果性。
• 若分散夸克云仅局部存在于地球和超新星附近，而非沿整个传播路径，则SN1987A中微子观测与该模型一致。
• 若夸克云贯穿整个传播路径，则由SN1987A推导出的中微子质量上限为 $m \approx 85$ keV，但该结果被已知的质量上限排除，因此夸克云必须是局部的。
• 该模型通过将效应归因于地球附近的局部介质，解释了HERA数据中观测到的光速能量依赖性，以及费米观测中未见此类依赖性的原因。
• SLAC实验与该模型一致，因为该实验在夸克云被移除的区域进行，因此该情境下 $c_0 = c$，未产生矛盾。