[论文解读] Quantum-Mechanics of $ u$ and GSI oscillations for pedestrians : Relativistic quantum field theory is useless

Harry J. Lipkin|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2010

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用 1

一句话总结

本文提出了一种无需相对论性量子场论的方法，通过GSI实验中的K-俘获衰变振荡来测量中微子质量差。通过在动量空间中分析具有不同质量和动量的中微子态的相干叠加，该模型预测的振荡周期与KAMLAND数据的偏差在10%以内，表明中微子探测并非测量质量差所必需。

ABSTRACT

GSI experiment studying oscillations in K-capture decay of radioactive ion investigates neutrino masses and mixing without detecting neutrino. Even when neutrino is not detected quantum mechanics relates initial and final states. The basic physics is very simple. Neutrinos emitted in beta decay are coherent linear combinations of states with different masses, different momenta and same energy. Since the weak interaction producing the neutrino conserves momentum, the initial state before the transition must also contain a coherent linear combination of states with the same momentum difference and a well defined relative magnitude and phase. A one-particle state with a definite momentum difference also has an easily calculated energy difference. In the time interval between creation of the ion and its decay a linear combination of two states with different energies oscillates in time. Measuring the oscillation period gives a value for the difference between squared neutrino masses of the two neutrino mass eigenstates. The value obtained from a crude approximation with no free parameters for this two-slit or which path experiment in momentum space differs by less than 10% from the result observed in the KAMLAND experiment. Observing only ion disappearance without detecting neutrino avoids signal suppression by low neutrino absorption cross section

研究动机与目标

• 在K-俘获衰变实验中，不依赖直接中微子探测，研究中微子质量差。
• 证明仅依靠量子力学，无需相对论性量子场论，即可在动量空间中描述中微子振荡。
• 表明离子衰减可作为中微子质量分裂的代理信号。
• 提出一种基于不同动量和能量的本征质量态相干叠加的简单、无参数的中微子振荡模型。
• 仅通过初始态和末态在动量空间中的相干性，解释GSI实验中观测到的振荡周期。

提出的方法

• 将初始态建模为两个具有相同能量但动量差确定的中微子质量本征态的相干叠加。
• 应用弱相互作用动量守恒的原理，要求初始态中两个动量态之间具有确定的相对相位和幅度。
• 基于其动量和质量差，计算两个态之间的能量差。
• 利用叠加态的时间演化，推导出从离子产生到衰变的时间间隔内的振荡周期。
• 将振荡周期直接与中微子质量平方差之差联系起来。
• 将模型预测的振荡周期与KAMLAND实验的观测值进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在K-俘获衰变实验中，能否在不探测中微子的情况下测量中微子质量差？
• RQ2 初始态动量叠加的相干性如何影响动量空间中的振荡行为？
• RQ3 对于具有不同动量和质量的两个中微子质量本征态，在相干叠加下，其预测的振荡周期是多少？
• RQ4 该模型对振荡周期的预测与KAMLAND实验结果相比如何？
• RQ5 在此情境下，能否避免使用相对论性量子场论来描述中微子振荡？

主要发现

• 该模型预测的双中微子质量本征态叠加的振荡周期与KAMLAND结果的偏差小于10%。
• 预测不包含任何自由参数，仅依赖于初始态的相干动量叠加和能量差。
• 振荡源于具有不同能量的态的叠加态的时间演化，即使不探测中微子也能产生。
• GSI实验中离子的消失速率可作为中微子质量分裂的可观测量信号。
• 弱相互作用的动量守恒强制要求初始态叠加中具有确定的相对相位和幅度。
• 该模型表明，描述观测到的振荡无需依赖相对论性量子场论。