[论文解读] Constraining Neutrino Velocities and Lorentz Invariance Violation in the Neutrino Sector using the IceCube PeV Neutrino Events

F. W. Stecker|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2013

Noncommutative and Quantum Gravity Theories被引用 1

一句话总结

本文利用冰立方（IceCube）的拍电子伏（PeV）中微子事例和蟹状星云耀发数据，对中微子领域的洛伦兹协变性破坏（Lorentz invariance violation, LIV）进行约束。通过分析飞行时间差异与真空切伦科夫辐射的约束，推导出超光速中微子速度的严格上限 δν ≤ 5.6×10⁻¹⁹，显著优于SN1987A的限制。

ABSTRACT

The observation of two PeV-scale neutrino events reported by Ice Cube can, in principle, allows one to place constraints on Lorentz invariance violation (LIV) in the neutrino sector. After first arguing that at least one of the IceCube events was of extragalactic origin, I derive an upper limit for {\it the difference} between putative superluminal neutrino and electron velocities of $\le \sim 5.6 imes 10^{-19}$ in units where $c = 1$, confirming that the observed PeV neutrinos could have reached Earth from extragalactic sources. I further derive a new constraint on the superluminal electron velocity, obtained from the observation of synchrotron radiation in the Crab Nebula flare of September, 2010. The inference that the $>$ 1 GeV $\gamma$-rays from synchrotron emission in the flare were produced by electrons of energy up to $\sim 5.1$ PeV indicates the non-occurrence of vacuum Cerenkov radiation by these electrons. This implies a new, strong constraint on superluminal electron velocities $\delta_e \le \sim 5 imes 10^{-21}$. It immediately follows that one then obtains an upper limit on the superluminal neutrino velocity {\it alone} of $\delta_{ u} \le \sim 5.6 imes 10^{-19}$, many orders of magnitude better than the time-of-flight constraint from the SN1987A neutrino burst. However, if the electrons are {\it subluminal} the constraint on $|\delta_e| \le \sim 8 imes 10^{-17}$, obtained from the Crab Nebula $\gamma$-ray spectrum, places a weaker constraint on superluminal neutrino velocity of $\delta_{ u} \le \sim 8 imes 10^{-17}$.

研究动机与目标

• 利用高能天体中微子事例测试中微子领域的洛伦兹协变性破坏（LIV）。
• 确定在LIV情景下，观测到的PeV中微子是否可能起源于河外源。
• 通过结合冰立方数据与蟹状星云的同步辐射观测，推导出对超光速中微子速度的改进约束。
• 评估电子速度约束对中微子超光速速度上限结果的影响。

提出的方法

• 分析假设中微子领域存在LIV时，来自河外源的PeV中微子与光子之间的飞行时间差异。
• 利用冰立方观测到的PeV中微子事例，推断其中至少一个为河外起源，从而实现对LIV的约束。
• 假设能量高达5.1 PeV的电子发射同步辐射γ射线，利用蟹状星云耀发中未观测到真空切伦科夫辐射的事实，约束电子速度。
• 基于蟹状星云耀发中未观测到真空切伦科夫辐射，推导出电子超光速速度的上限为 δe ≤ 5×10⁻²¹。
• 通过关系式 δν ≤ δe + δν，将电子速度约束转化为对中微子速度的约束，假设中微子为超光速。
• 考虑电子为亚光速的替代情景，基于蟹状星云能谱推导出对δν的较弱约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 冰立方PeV中微子事例能否用于约束中微子领域的洛伦兹协变性破坏？
• RQ2 在观测到的PeV中微子事例下，中微子与电子之间允许的最大超光速速度差是多少？
• RQ3 对蟹状星云耀发中同步辐射γ射线的观测如何约束电子速度，并由此约束中微子速度？
• RQ4 当应用电子速度约束时，超光速中微子速度的上限结果是什么？
• RQ5 所推导的约束与SN1987A中微子观测结果的现有约束相比如何？

主要发现

• 分析证实，冰立方PeV中微子事例中至少有一个为河外起源，从而使得LIV约束成为可能。
• 在假设中微子为超光速的前提下，推导出超光速中微子速度差的严格上限 δν ≤ 5.6×10⁻¹⁹。
• 蟹状星云耀发中未观测到真空切伦科夫辐射，意味着对电子超光速速度有强约束：δe ≤ 5×10⁻²¹。
• 该电子约束直接导致 δν ≤ 5.6×10⁻¹⁹，其精度远超SN1987A飞行时间限制的量级。
• 若电子为亚光速，则对δν的约束减弱为 δν ≤ 8×10⁻¹⁷，依据为蟹状星云能谱。
• 结果在中微子领域LIV约束方面实现了显著改进，尤其在利用电子速度约束时更为突出。