[论文解读] OPERA, SN1987a and energy dependence of superluminal neutrino velocity

N. D. Hari Dass|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 27被引用 15

一句话总结

本文研究了OPERA合作组报告的超光速中微子速度的能谱依赖性，将其与SN1987a中微子到达时间数据相协调。提出了一种平滑插值方法，表明在超新星能量附近，δv/c具有四次方能谱依赖性，该依赖关系同时与OPERA的28.1 GeV数据和SN1987a的12秒聚集数据保持一致，且表明能量无关或线性偏移的速度模型在OPERA的能量尺度附近也能很好地拟合OPERA数据。

ABSTRACT

This is a brief note discussing the energy dependence of superluminal neutrino velocities recently claimed by OPERA [1,2]. The analysis is based on the data provided there on this issue, as well as on consistency with neutrino data from SN1987a as recorded by the Kamioka detector [3]. It is seen that it is quite difficult to reconcile OPERA with SN1987a. The so called Coleman- Glashow dispersion relations do not do that well, if applied at all neutrino energies. The so called quantum gravity inspired dispersion relations perform far worse. Near OPERA energies both an energy-independent velocity, as well as a linear energy dependence with an offset that is comparable in value to the observed δv by OPERA at 28.1 GeV works very well. Our analysis shows that precision arrival time data from SN1987a still allow for superluminal behaviour for supernova neutrinos. A smooth interpolation is given that reconciles OPERA and SN1987a quite well. It suggests a fourth power energy dependence for δv of supernova neutrinos. This behaviour is insensitive to whether the velocities are energy-independent, or linearly dependent on energy, near OPERA scale of energies. Suggestions are made for experimental checks for these relations.

研究动机与目标

• 评估OPERA报告的超光速中微子速度与SN1987a中微子探测时间约束的一致性。
• 评估各种能量依赖的色散关系（尤其是Coleman-Glashow模型和量子引力启发模型）在OPERA和SN1987a数据上的可行性。
• 提出一种现象学插值模型，以协调OPERA的能谱依赖速度测量与SN1987a的上限限制。
• 建议对所提能谱依赖关系的实验检验方法，包括在不同能量和基线长度下的测量。
• 探讨若确认超光速速度，其对中微子传播、振荡模型以及相对论基础原理的潜在影响。

提出的方法

• 分析OPERA在13.9、28.1和42.9 GeV能量下报告的δt值，以推断δv/c的能谱依赖性。
• 应用SN1987a中微子到达时间数据（12秒聚集）来约束约10 MeV能量下的可能超光速速度。
• 检验Coleman-Glashow和量子引力启发色散关系的性能，发现它们无法协调两组数据。
• 仅对OPERA数据进行带偏移的线性拟合，得到质量标度为5×10³ TeV，截距为2.0×10⁻⁵，该拟合在OPERA能量范围内表现极佳。
• 构建从OPERA尺度的线性行为到SN1987a限制之间的平滑插值函数，提出δv/c的E⁴依赖关系。
• 推导出一个现象学公式：δβ = δβ_OP × (E_GeV² / (E_GeV² + 1.0))²，该公式在OPERA和SN1987a约束之间实现插值。

实验结果

研究问题

• RQ1 OPERA报告的超光速中微子速度的能谱依赖性能否与SN1987a的时间约束相协调？
• RQ2 Coleman-Glashow或量子引力启发色散关系是否能充分描述OPERA和SN1987a的数据？
• RQ3 是否存在一种现象学能谱依赖关系，使得δv/c能同时拟合OPERA数据并保持与SN1987a到达时间上限的一致性？
• RQ4 若δv/c以非平凡方式依赖于能量，对中微子振荡模型有何影响？
• RQ5 未来实验如何检验在超新星能量附近δv/c的E⁴依赖关系？

主要发现

• Coleman-Glashow色散关系无法协调OPERA与SN1987a数据，尤其因其预测的能谱依赖性不成立。
• 量子引力启发色散关系的表现显著劣于所提出的插值模型。
• 仅对OPERA数据进行带偏移的线性拟合，得到质量标度为5×10³ TeV，截距为2.0×10⁻⁵，该拟合在OPERA能量范围内表现极佳。
• 所提出的插值模型预测在超新星能量附近，δv/c具有四次方能谱依赖性（E⁴），该预测与OPERA和SN1987a数据均一致。
• 在1 GeV能量下，该模型预测δv/c仅为OPERA在28.1 GeV时报告值的1/5，表明在高能区存在强烈的能谱依赖性。
• SN1987a的到达时间限制仍允许存在超光速中微子速度，意味着数据并未排除此类行为，与某些假设相反。