[论文解读] Astrophysical consequences of the OPERA superluminal neutrino

Luis Gonzalez‐Mestres|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 29

一句话总结

本文研究了OPERA实验报告的超光速缪子中微子速度在天体物理学上的自洽性，表明此类结果将导致π介子和质子中出现非物理的洛伦兹对称性破坏，进而引发诸如光子发射或自发粒子对产生等禁止的衰变过程。分析结论认为，OPERA的结果与已知的天体物理学和粒子物理学约束不相容，暗示存在实验误差或误解。

ABSTRACT

A simple discussion of the recent OPERA result on the apparent critical speed of the muon neutrino is presented. We point out in particular some of the possible consistency problems of such an interpretation of the OPERA data with respect to well-established astrophysical observations.

研究动机与目标

• 评估OPERA实验报告的超光速缪子中微子速度在天体物理学上的自洽性。
• 检查中微子临界速度异常（超过光速）是否能与已知粒子物理和天体物理学观测相协调。
• 研究此类临界速度异常向强子和带电轻子的传播。
• 评估对高能宇宙中微子通量和光子衰变过程的影响。

提出的方法

• 使用具有修正洛伦兹型能量-动量关系的相对论性运动学，以建模临界速度 $ c_X \neq c $ 的粒子。
• 应用能量和动量守恒于π介子衰变，推导出若 $ c_\nu > c $ 时中微子动量的运动学上限。
• 基于假设的 $ \delta c $ 异常，计算π介子和质子自发发射光子的阈值。
• 在相同异常假设下，计算高能中微子自发发射电子-正电子对的过程。
• 将预测的衰变阈值与观测到的宇宙射线能量和天体物理通量进行比较。
• 评估OPERA结果与粒子物理和天体物理学已知约束的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 OPERA报告的超光速中微子速度能否与已知的高能宇宙中微子和光子天体物理学观测相一致？
• RQ2 若中微子临界速度比光速高出 $ \sim 2.5 \times 10^{-5}c $，会对π介子和质子衰变产生何种影响？
• RQ3 中微子中的临界速度异常是否必然传播至强子区，其可观测后果是什么？
• RQ4 OPERA结果能否与宇宙射线中未观测到的自发光子衰变相协调？
• RQ5 高能中微子未观测到 $ e^+e^- $ 对发射，对 $ \delta c(\nu) $ 的大小施加了何种约束？

主要发现

• 中微子临界速度异常 $ \delta c(\nu)/c = 2.5 \times 10^{-5} $ 暗示π介子衰变的运动学截止出现在 $ p_\nu \leq 14 \, \text{GeV}/c $，从而抑制高能中微子通量。
• 若 $ \delta c(\pi) \approx \delta c(\nu) $，则π介子在能量高于 $ \sim 32 \, \text{GeV} $ 时可发生自发光子发射，与天体物理学观测矛盾。
• 质子临界速度异常 $ \delta c(p)/c \approx 10^{-6} $ 将使质子在能量高于 $ \sim 700 \, \text{GeV} $ 时可发生自发光子发射，与观测到的宇宙射线能量相冲突。
• 若 $ \delta c(p) \approx -10^{-6}c $，则光子可在能量高于 $ \sim 1 \, \text{TeV} $ 时衰变为质子-反质子对，但该过程未被观测到。
• 即使异常值较小，如 $ \delta c(p)/c \approx 10^{-8} $，此类过程的阈值仍低于观测到的宇宙射线能量，表明存在不一致。
• 除非异常值显著小于数据所暗示的值，否则OPERA结果无法与标准粒子物理或天体物理学观测相协调。