[论文解读] Can Neutrinos Probe Extra Dimensions?

Vladimir Ammosov, G.G. Volkov|ArXiv.org|Aug 3, 2000

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 11被引用 10

一句话总结

本文提出，高能中微子可通过其相对于光速的速度偏差来探测额外维度，具体取决于额外维度的大小：若额外维度较大，则中微子速度可能超光速；若额外维度较小，则因真空泡沫效应导致速度低于光速。该研究建议利用CERN的实验，通过加速器产生的中微子检验这些效应，其中长基线和束流打靶实验对超出当前极限的速度异常具有敏感性。

ABSTRACT

We conjecture that the topological structure of the gauge symmetries required by the Calabi-Yau vacuum and the dualities in string/D-branes considered in the world with some additional dimensions can lead to an extension of the main principles of the Special Theory of Relativity. The link between the topological structure of the vacuum and the, hierarchy of the gauge symmetries could be checked by the existence of the ``almost massless'', ''sterile'' particles. These particles could have flying properties different from the standard predictions of the STR. It is natural to consider this property for neutrinos, known up to now ``$U(1)_{em}$ sterile'' particles. Here we discuss two such effects depending on the possible existence of large and/or small extra dimensions and what is the maximal speed for both cases. The effect of large extra dimensions can be directly connected with the existence of a hidden boost, $c_{hid} >> c_{em}$, excited by new global dimensions and can lead to the monotonous rise of the neutrino velocity at high energies, $v_ν > c$. The effect of small extra dimensions, universal with respect to all particles, can be connected with the gravitation recoils of the propagation of neutrino in the space-time vacuum-foam and it leads to the effect of diminishing the neutrino velocity at high energies. We propose to check these conjectures for neutrinos of different energies and species. Limits for existing neutrino data and expected sensitivities of possible experiments for accelerator - produced neutrinos are considered. It is pointed out that CERN has the unique opportunity of measuring the indicated effects.

研究动机与目标

• 探究中微子是否可通过其相对于光速的速度偏差，作为探测额外维度的探针。
• 探讨卡拉比-丘流形紧化中的拓扑结构及弦对偶性如何与规范对称性及新的时空对称性相关联。
• 评估通过高能中微子实验探测新全局效应（如隐藏的洛伦兹提升或真空泡沫相互作用）的可行性。
• 评估现有及拟议实验对中微子速度偏差的敏感性，特别是在大额外维度与小额外维度的背景下。
• 识别CERN作为唯一具备利用加速器中微子束测量这些效应能力的设施。

提出的方法

• 提出一个理论框架，将卡拉比-丘流形的拓扑结构与弦对偶性关联到规范对称性的涌现及新的时空对称性。
• 分析两种情形：(1) 未紧化的额外维度较大，导致隐藏的洛伦兹提升 $c_{\text{hid}} \gg c_{\text{em}}$，使中微子速度随高能单调增加；(2) 紧化的额外维度较小，导致时空真空泡沫中的引力反冲效应，使中微子速度在高能时降低。
• 使用中微子速度参数 $\Delta\beta = \beta_\nu - \beta_c$ 来量化其相对于光速的偏差，其中 $\beta = v/c$。
• 通过束流脉冲与时间分辨率约为200–250 ps的探测器进行飞行时间测量，评估实验敏感性。
• 比较不同实验（如FNAL、SN87A、WANF束流打靶、LHC束-束碰撞及长基线装置）在不同假设下（$\delta\beta = E/M$ 与 $\delta\beta = E^2/\tilde{M}^2$）的预期敏感度。
• 估算来自河外伽马暴或活动星系核等天体物理源的超高能中微子的探测潜力，若涉及惰性物质，则可探测到 $\Delta\beta \sim 10^{-16}$ 的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 高能中微子是否可能因大或小额外维度的存在而表现出相对于光速的速度偏差？
• RQ2 卡拉比-丘紧化中的拓扑结构及弦对偶性如何影响规范对称性与新时空对称性的涌现？
• RQ3 何种实验装置可探测源于大额外维度中隐藏洛伦兹提升或小额外维度中真空泡沫效应的中微子速度异常？
• RQ4 在不同理论模型下，现有及拟议实验对中微子速度偏差的敏感性如何比较？
• RQ5 CERN的实验，特别是利用高强度束流或束-束碰撞的实验，是否具备足够的精度来检验这些预测？

主要发现

• 该论文预测，在大额外维度情况下，中微子速度可能随能量单调增加，甚至超过光速（$v_\nu > c$），这是由于存在一个远大于电磁光速的隐藏洛伦兹提升 $c_{\text{hid}} \gg c_{\text{em}}$。
• 对于小额外维度，由于时空真空泡沫中的引力反冲效应，中微子速度在高能时预计会降低，导致 $v_\nu < c$。
• 长基线实验（如NuFact）预计可实现 $\Delta\beta \sim 3 \times 10^{-10}$ 的敏感度（对应 $\delta\beta = E^2/\tilde{M}^2$），优于SN87A的极限。
• WANF及LHC束-束打靶实验的敏感度预计可达 $\sim 1.5 \times 10^{-6}$ 至 $2.5 \times 10^{-6}$ 的 $\Delta\beta$，具体取决于中微子种类与统计精度。
• LHC束-束实验中，若配备50 kt探测器，对来自底夸克、W及Z玻色子衰变的 $\nu_\mu$、$\nu_e$ 与 $\nu_\tau$，可实现 $\sim 2.5 \times 10^{-6}$ 的敏感度。
• 若涉及惰性物质，来自河外伽马暴或活动星系核等天体物理源的超高能中微子可产生 $\Delta\beta \sim 10^{-16}$ 的偏差，从而探测极端能量尺度。