[论文解读] Quantum Gravity effect on neutrino oscillations in a strong gravitational field

J. Miller, Roman Pasechnik|arXiv (Cornell University)|May 20, 2013

Neutrino Physics Research被引用 2

一句话总结

该论文提出，在强引力场中，能量较高的引力子通过引力子-中微子散射在中微子味态中诱导量子退相干，类似于弱相互作用引起的退相干。这种效应源于引力子与质量本征态的耦合，导致天体物理中微子的味组成发生可测量的变化，从而可通过中微子振荡观测间接探测高能引力子。

ABSTRACT

In the framework of quantum field theory, a graviton interacts locally with a quantum state having definite mass, i.e. the gravitational mass eigenstate, while a weak boson interacts with a state having definite flavor, i.e. the flavor eigenstate. An interaction of a neutrino with an energetic graviton may trigger the collapse of the neutrino to a definite mass eigenstate with probability expressed in terms of PMNS mixing matrix elements. Thus, gravitons would induce quantum decoherence of a coherent neutrino flavor state similarly to how weak bosons induce quantum decoherence of a neutrino in a definite mass state. We demonstrate that such an essentially quantum gravity effect may have strong consequences for neutrino oscillation phenomena in astrophysics due to relatively large scattering cross sections of relativistic neutrinos undergoing large-angle radiation of energetic gravitons in gravitational field of a classical massive source (i.e. the quasi-classical case of gravitational Bethe-Heitler scattering). This graviton-induced {\it decoherence} is compared to {\it decoherence} due to propagation in the presence of the Earth matter effect. Based on this study, we propose a new technique for the indirect detection of energetic gravitons by measuring the flavor composition of astrophysical neutrinos.

研究动机与目标

• 研究强引力场中量子引力效应对中微子振荡的影响。
• 探讨引力子与中微子的相互作用是否能诱导味本征态的退相干，类似于规范玻色子的相互作用。
• 比较引力子诱导的退相干与中微子在地球物质中传播引起的退相干。
• 提出一种利用天体物理中微子味组成测量实现高能引力子间接探测的新方法。

提出的方法

• 使用量子场论，对相对论性中微子在经典引力场中与高能引力子的相互作用进行建模。
• 应用准经典引力Bethe-Heitler过程，描述中微子大角度发射引力子的过程。
• 利用PMNS混合矩阵描述引力子相互作用后中微子态塌缩至质量本征态的概率。
• 计算在强引力场中，相对论性中微子发射引力子的散射截面。
• 将引力子相互作用引起的退相干率与中微子在地球物质中传播引起的退相干率进行比较。
• 推导由引力子诱导的退相干引起的中微子味组成变化的可观测特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强引力场中，引力子-中微子相互作用是否会导致中微子味态的可测量退相干？
• RQ2 在存在经典大质量源的情况下，相对论性中微子发射引力子的截面如何随能量变化？
• RQ3 与地球物质效应引起的退相干相比，引力子诱导的退相干量级如何？
• RQ4 能否通过天体物理中微子的味组成推断高能引力子的存在？
• RQ5 哪些可观测特征可将引力子诱导的退相干与其他退相干机制区分开来？

主要发现

• 引力子相互作用通过将中微子态塌缩至确定的质量本征态，在中微子味态中诱导量子退相干，其概率由PMNS混合矩阵元决定。
• 在强引力场中，相对论性中微子大角度发射引力子的散射截面相对较大，可产生可观测效应。
• 引力子诱导的退相干导致穿越强引力场的天体物理中微子味组成的可测量变化。
• 引力子引起的退相干效应在量级上与地球物质效应相当，因此可能被观测到。
• 本研究提出一种新方法：通过分析因引力子诱导退相干导致的天体物理中微子味比偏差，实现对高能引力子的间接探测。