[论文解读] Superluminal Neutrinos and Monopoles

Peng Wang, Houwen Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 53被引用 15

一句话总结

本文提出，OPERA实验中观测到的超光速中微子可能是由于与't Hooft-Polyakov单极子相互作用所致，该单极子会局部扭曲中微子的时空结构，但对光子无影响。单极子导致中微子相对于光子产生固定的60 ns时间领先，从而调和了OPERA实验结果与超新星中微子数据之间的矛盾，并排除了宇宙弦作为可行解释。

ABSTRACT

In this letter, we show that superluminal neutrinos announced by OPERA could be explained by the existence of a monopole, which is left behind after the spontaneous symmetry breaking (SSB) phase transition of some scalar fields in the universe. We assume the 't Hooft-Polyakov monopole couples to the neutrinos but not photon fields. The monopole introduces a different effective metric to the neutrinos from the one experienced by photons. We find that the superluminal propagation only exists in a very short distance from the monopole, about $10^3$ cm in OPERA. No matter how far they travel, neutrinos always arrive earlier than photons by the same amount of time, provided a monopole existing on or close to their trajectories. This conclusion can be tested by future experiments. The result reconciles the contradiction between OPERA and supernova neutrinos. We further exclude cosmic strings as a possible theoretical explanation.

研究动机与目标

• 解决OPERA实验中超光速中微子结果与SN 1987A中微子实际到达时间之间的矛盾。
• 探讨如单极子等拓扑缺陷是否可解释OPERA实验中中微子提前60 ns到达的现象。
• 检验单极子与宇宙弦作为超光速中微子传播理论解释的可行性。
• 证明在单极子位于或靠近传播路径的情况下，中微子与光子之间的时间差保持恒定，与传播距离无关。

提出的方法

• 假设在SU(2)规范理论中存在一个标量三重态希格斯场，其自发对称性破缺至U(1)，从而产生't Hooft-Polyakov单极子。
• 通过拉格朗日量中的非最小相互作用项，引入单极子的规范场与标量场与中微子的耦合，但不与光子耦合。
• 基于单极子的场分布，推导出中微子所经历的有效度规，该度规与光子所经历的闵可夫斯基度规不同。
• 使用单极子的BPS孤子解（λ→0）对中微子传播时间进行解析计算，重点关注靠近单极子的短距离区域。
• 利用径向坐标ρ = m_w r计算光子与中微子之间的时间差∆t = t_c - t_ν，表明该时间差主要由距离单极子约δ ~ 10^3 cm的区域主导。
• 将预测的时间延迟与OPERA实验测得的60 ns进行比较，并评估其与SN 1987A中微子观测结果的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单极子的存在是否可解释OPERA实验中观测到的中微子提前60 ns到达的现象？
• RQ2 该单极子诱导的时间延迟是否在不同基线距离下保持恒定，从而调和OPERA与SN 1987A数据之间的矛盾？
• RQ3 尽管宇宙弦可能改变中微子传播，为何它们被排除为解释原因？
• RQ4 在单极子存在的情况下，中微子的有效度规与光子的度规有何不同？
• RQ5 时间延迟主要在多大的空间尺度上产生？该尺度与OPERA基线有何关联？

主要发现

• 由于单极子的影响，中微子与光子之间的时间差固定在约60 ns，与总传播距离无关。
• 时间延迟的主要贡献来自沿中微子路径上约δ ~ 10^3 cm的极短区域，该区域以单极子为中心。
• 单极子效应具有局域性；中微子的有效度规因通过(D_μφ)^a(D^μφ)^a项与单极子耦合而不同于光子的闵可夫斯基度规。
• 当κ ~ O(1)且m_w ~ 100 GeV时，单极子的BPS孤子解可产生与OPERA测量结果一致的时间延迟。
• 宇宙弦被排除，因其会导致可观测的引力透镜效应并破坏附近物质的稳定性，而此类现象尚未被探测到。
• 该模型解释了为何SN 1987A的超新星中微子未表现出类似提前到达：其路径上存在单极子的概率极低。