ニュートリノ速度の測定

Measurements_of_neutrino_speed
ニュートリノ速度の測定は、特殊相対性理論のテストとして、またニュートリノの質量を決定するために実施されてきました。天文探査では、遠く離れた場所から同時に放出された光とニュートリノが同時に地球に到達しているかどうかを調査します。地上での調査には、同期時計を使用した飛行時間の測定や、ニュートリノの速度と他の粒子の速度との直接比較が含まれます。
ニュートリノには質量があることが確立されているため、MeVから GeV までの範囲の運動エネルギーのニュートリノの速度は、特殊相対性理論に従って光の速度よりもわずかに遅くなるはずです。既存の測定では、光速からの偏差の上限は約 10 -9、つまり10億分の数部でした。誤差の範囲内で、これは一貫しており、偏差はまったくありません。
コンテンツ
1 概要
2 フェルミラボ (1970年代)
3 超新星 1987A
4 ミノス （2007)
5 オペラ （2011， 2012)
5.1 異常 5.2 最終結果
6 LNG （2012)
6.1 ボレキシノ 6.2 LVD 6.3 イカルス 6.4 オペラ
7 ミノス （2012)
7.1 古いタイミング システム 7.2 新しいタイミング システム
8 間接的な決定
9 参考文献
10 関連する
11 外部リンク

概要

相対論的運動エネルギーの関数としてのニュートリノ速度、ニュートリノ質量 < 0.2 eV/c²。
エネルギー10eV 1KeV 1MeV 1GeV 1TeV
| |v − c
| |
/ c { |vc|/c}
≲ 10 − 4
{ scriptstyle lesssim 10^{-4}}
≲ 10 − 8
{ scriptstyle lesssim 10^{-8}}
≲ 10 − 14
{ scriptstyle lesssim 10^{-14}}
≲ 10 − 20
{ scriptstyle lesssim 10^{-20}}
≲ 10 − 26
{ scriptstyle lesssim 10^{-26}}

素粒子物理学の標準モデルの枠組みの中で、ニュートリノは質量がゼロであると長い間想定されていました。したがって、特殊相対性理論によれば、それらは正確に光速で移動するはずです。しかし、ニュートリノ振動が発見されて以来、ニュートリノ振動は少量の質量を持っていると考えられています。したがって、それらは光よりもわずかに遅く移動する必要がそうしないと、相対論的エネルギーが無限に大きくなります。このエネルギーは次の式で与えられます。え =
メートルc2 − v 2 c 2
{ E={frac {mc^{2}}{sqrt {1-{frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}}}
vはニュートリノの速度、cは光の速度です。ニュートリノの質量mは現在 2 eV /c²と見積もられており、0.2 eV/c² よりも小さい可能性も後者の質量値と相対論的エネルギーの式から、エネルギーが高いほど光とニュートリノの相対速度差が小さくなり、右図のようになるはずです。
これまでに実施された飛行時間測定では、10 MeV を超えるエネルギーのニュートリノが調査されました。しかし、そのような高エネルギーでの相対論によって予測される速度差は、現在の時間測定の精度では決定できません。そのような測定がまだ行われている理由は、特定の状況下で光速度からの大幅な偏差が発生する可能性があるという理論上の可能性と関連しています。たとえば、ニュートリノはタキオンと呼ばれるある種の超光速粒子である可能性があると仮定されていましたが、他の人はこの提案を批判しました。仮説上のタキオンはローレンツ不変性と互換性があると考えられているが、超光速ニュートリノはローレンツ不変性を破るフレームワークでも研究されており、ローレンツを破るニュートリノ振動に応じた標準モデル拡張など、量子重力の投機的なバリアントによって動機付けられている.発生する可能性が飛行時間の測定に加えて、これらのモデルは、ニュートリノ速度の間接的な決定や、ローレンツの違反に関するその他の最新の検索も可能にします。これらの実験はすべて、ローレンツ不変性と特殊相対性を確認しました。

フェルミラボ (1970年代)
フェルミ研究所は 1970 年代に一連の地上測定を実施し、ミューオンの速度を30 ～ 200 GeV のエネルギーのニュートリノおよび反ニュートリノの速度と比較しました。フェルミラボの狭帯域ニュートリノ ビームは、次のように生成されました。400 GeV の陽子がターゲットに衝突し、パイ中間子とカ中間子からなる二次ビームが生成されます。その後、それらは長さ 235 メートルの排気された崩壊管の中で崩壊しています。残りのハドロンは、ニュートリノと一部の高エネルギー ミューオンのみが 500 メートルの長さの地球と鋼のシールドを貫通して粒子検出器に到達できるように、二次ダンプによって停止されました。
陽子は18.73 ns 間隔で1ナノ秒の束で移動するため、ミューオンとニュートリノの速度を決定できます。速度の違いは、ニュートリノ バンチの伸長と、ニュートリノ時間スペクトル全体の変位につながります。最初に、ミューオンとニュートリノの速度を比較しました。その後、反ニュートリノも観測された。光速からの偏差の上限は次のとおりです。
| |v − c
| |
c< 4 × 10 − 5
{ {frac {|vc|}{c}}<4times 10^{-5}}
. これは測定精度内の光速と一致しており（信頼水準95％ ）、この精度ではニュートリノ速度のエネルギー依存性も見られませんでした。

超新星 1987A
光速との最も正確な一致 （2012 年現在)) は、157000 ± 16000光年の距離にある超新星 1987Aで発生したエネルギー 7.5 ～ 35 MeV の反電子ニュートリノの観測によって 1987 年に決定されました。光速からの偏差の上限は次のとおりです。
| |v − c
| |
c< 2 × 10 − 9
{ {frac {|vc|}{c}}<2times 10^{-9}}
したがって、光速の 0.999999998 倍以上です。この値は、光とニュートリノの到達時間を比較して得られたものです。約 3 時間の違いは、ほとんど相互作用しないニュートリノが超新星を妨げられずに通過できる一方で、光はより長い時間を必要とするという状況によって説明されました。

ミノス （2007)
絶対通過時間の最初の地上測定は、フェルミ研究所のMINOS （2007)によって行われました。ニュートリノ (いわゆるNuMI ビーム) を生成するために、彼らは Fermilab Main Injector を使用しました。これにより、120 GeV の陽子が1 回の流出につき 5 ～ 6 バッチでグラファイトターゲットに向けられました。発生した中間子は、長さ 675 メートルの崩壊トンネルで崩壊し、ミューニュートリノ (93%) とミューニュートリノ (6%) になりました。移動時間は、互いに 734 km 離れた MINOS 近距離検出器と遠距離検出器での到着時間を比較することによって決定されました。両局の時計はGPSで同期されており、信号伝送には長い光ファイバーが使われていました。
彼らは、約 126 ns の初期ニュートリノ到着を測定しました。したがって、相対速度の差は( 5.1± 2.9 ) × 10 − 5
{ scriptstyle (5.1pm 2.9)times 10^{-5}}
(68% 信頼限界)。これは光速の 1.000051±29 倍に相当し、明らかに光よりも速い。エラーの主な原因は、光ファイバー遅延の不確実性でした。この結果の統計的有意性は 1.8 σ未満であり、5σ が科学的発見として受け入れられる必要があるため、有意ではありませんでした。
99% の信頼水準で、 が与えられました。− 2.4 × 10 − 5 < v −c c < 12.6 × 10 − 5
{ -2.4times 10^{-5}<{frac {vc}{c}}<12.6times 10^{-5}}
ニュートリノ速度が 0.999976c より大きく、1.000126c より小さい。したがって、結果はサブルミナール速度とも互換性が
オペラ （2011， 2012)編集

異常
詳細は「超光速ニュートリノ異常」を参照
OPERA 実験では、17GeVニュートリノが使用され、 CERNで生成された長さ 10.5 マイクロ秒の陽子抽出に分割され、743 km の距離にあるターゲットに衝突しました。その後、パイ中間子とカ中間子が生成され、これらは部分的にミュー中間子とミューニュートリノに崩壊します ( CERN ニュートリノからグラン サッソ、CNGS)。ニュートリノは、さらに730 km 離れた国立グラン サッソ研究所(LNGS) に到達しました。そこには、OPERA 検出器が時計を同期させ、正確な距離を決定するために GPS が使用されました。また、LNGS では信号伝送に光ファイバーが使用された。陽子抽出の時間分布は、約 16000 のニュートリノ イベントと統計的に比較されました。OPERA は、予想される光速での到着と比較して、約 60 ナノ秒の初期ニュートリノ到着を測定しました。MINOS の結果とは対照的に、偏差は 6σ であり、明らかに有意でした。
統計誤差の可能性を排除するために、CERN は 2011 年 10 月から 11 月にかけて陽子ビームの束を生成しました。陽子抽出は 524 ns 間隔で 3 ns の短い束に分割され、すべてのニュートリノ イベントが陽子束に直接接続されるようにしました。20 のニュートリノ イベントの測定では、以前の結果と一致して、約 62 ns の早期到着が得られました。彼らは分析を更新し、有意性を 6.2σ まで上げました。
2012 年 2 月と 3 月に、実験装置に 2 つの間違いがあったことが明らかになりました。1 つは、コンピューター カードのケーブル接続の誤りで、ニュートリノが予想よりも速く出現したことです。もう1つは仕様外の発振器で、ニュートリノの出現が予想よりも遅くなりました。次に、2007 ～ 2008 年、2008 ～ 2011 年、および 2011 ～ 2012 年の OPERA と同じ場所にある LVD 検出器への宇宙高エネルギー ミューオンの到着時間が比較されました。2008 年から 2011 年の間に、ケーブル コネクタの誤差によって約 73 ns の偏差が発生し、発振器の誤差によって約 73 ns の誤差が生じたことが判明しました。反対方向に 15 ns。 これと ICARUS 共同研究による光速と一致するニュートリノ速度の測定 ( ICARUS （2012)を参照) は、ニュートリノがおそらく光より速くないことを示しました。

最終結果
最後に、2012 年 7 月、OPERA コラボレーションは 2009 年から 2011 年までのデータの新しい分析を発表しました。これには、上記の機器効果が含まれており、到着時間差の境界が得られました (光の速度と比較して)。δ t = 6.5 ± 7.4( st a t
.)+ 8.3 − 8.0( sy s .) { delta t=6.5pm 7.4 (mathrm {stat.} ){scriptstyle {+8.3 atop -8.0}} (mathrm {sys.} )}

ナノ秒、
および速度差の境界:
v− c c =( 2.7± 3.1( st a t
.)+ 3.4 − 3.3( sy s
.)) × 10 − 6
{ {frac {vc}{c}}=(2.7pm 3.1 (mathrm {stat.} ){scriptstyle {+3.4 atop -3.3}} (mathrm {sys.} )) 回10^{-6}}
. また、2011 年 10 月と 11 月の束ねられたビームの対応する新しい分析は、この結果と一致しました。δ t = − 1.9 ± 3.7( st a t .) { delta t=-1.9pm 3.7 (mathrm {stat.} )}

ナノ秒
これらの結果は誤差の極限においても超光速ニュートリノ速度を許容していますが、それらは主に光速と一致しています。10 − 6
{ 10^{-6}}

速度差のバウンドは、以前の地上の飛行時間測定よりも 1 桁正確です。

LNG （2012)
OPERA と ICARUS の測定を続け、LNGSの実験であるBorexino、LVD、OPERA および ICARUS は、CERN が別のバンチビーム再実行を提供した後、2012 年 5 月 10 日から 24 日の間に新しいテストを実施しました。すべての測定値は光速と一致していました。 17GeV ミューニュートリノビームは、約 300ns 離れた抽出ごとに 4 つのバッチで構成され、バッチは約 100ns 離れた 16 バンチで構成され、バンチ幅は約 2ns でした。

ボレキシノ
Borexino の共同研究では、10 月から 11 月にかけてのバンチビーム再実行の両方を分析しました。 2011 年のデータについて、彼らは 36 のニュートリノ イベントを評価し、飛行時間の差の上限を得ました。δ t = − 6.5 ± 7( st a t
.)± 6( sy s .) { delta t=-6.5pm 7 (mathrm {stat.} )pm 6 (mathrm {sys.} )}

ナノ秒。
2012 年 5 月の測定では、新しいアナログ小ジッター トリガー システムとRbクロックに接続された測地 GPS 受信機を設置することで、機器を改良しました。彼らはまた、LVD と ICARUS と共に独立した高精度測地測定を実施しました。最終的な分析には 62 個のニュートリノ イベントを使用でき、飛行時間の差のより正確な上限を与えることができます。δ t = 0.8 ± 0.7( st a t
.)± 2.9( sy s .) { delta t=0.8pm 0.7 (mathrm {stat.} )pm 2.9 (mathrm {sys.} )}

ナノ秒、
対応する
| |v − c
| |
c< 2.1 × 10 − 6
{ {frac {|vc|}{c}}<2.1times 10^{-6}}
(90% CL)。

LVD
LVDコラボレーションは、最初に 10 月から 11 月のビーム再実行を分析しました。2011. 彼らは 32 のニュートリノ イベントを評価し、飛行時間の差の上限を取得しました: δ t = 3.1 ± 5.3( st a t
.)± 8( sy s .) { delta t=3.1pm 5.3 (mathrm {stat.} )pm 8 (mathrm {sys.} )}

ナノ秒。
2012 年 5 月の測定では、Borexino の共同作業による新しい LNGS タイミング機能と、LVD、Borexino、および ICARUS によって取得された測地データが使用されました (上記を参照)。また、シンチレーションカウンターとトリガーも更新しました。48 のニュートリノ イベント (50 MeV を超えるエネルギーで、平均ニュートリノ エネルギーは 17 GeV) が 5 月の分析に使用され、飛行時間差の上限が改善されました。δ t = 0.9 ± 0.6( st a t
.)± 3.2( sy s .) { delta t=0.9pm 0.6 (mathrm {stat.} )pm 3.2 (mathrm {sys.} )}

ナノ秒、
対応する− 3.8 × 10 − 6 < v −c c < 3.1 × 10 − 6
{ -3.8times 10^{-6}<{frac {vc}{c}}<3.1times 10^{-6}}
(99% CL)。

イカルス
10月から11月のビーム再実行の分析を公開した後。2011 年 (上記を参照)、ICARUS コラボレーションは 5 月の再放送の分析も提供しました。彼らは、CERN-LNGS 間の独自の内部タイミング システムを大幅に改善し、測地 LNGS 測定を Borexino および LVD と共に使用し、Borexino のタイミング機能を採用しました。最終的な分析のために 25 のニュートリノ イベントが評価され、飛行時間の差の上限が得られました。δ t = 0.18 ± 0.69( st a t
.)± 2.17( sy s .) { delta t=0.18pm 0.69 (mathrm {stat.} )pm 2.17 (mathrm {sys.} )}

ナノ秒、
対応する
v− c c =( 0.7± 2.8( st a t
.)± 8.9( sy s
.)) × 10 − 7
{ {frac {vc}{c}}=(0.7pm 2.8 (mathrm {stat.})pm 8.9 (mathrm {sys.} ))times 10^{-7}}
. ニュートリノの速度が光速を超える1.6 × 10
−6
{ 1.6times 10^{-6}c}
(95% CL) は除外されます。

オペラ
初期結果の修正後、OPERA は 2012 年 5 月の測定値も公開しました。ニュートリノイベントの評価には、追加の独立したタイミングシステムと4つの異なる分析方法が使用されました。彼らは、光ニュートリノとミューニュートリノの間の飛行時間の差の上限を示しました（分析方法に応じて、48から59のニュートリノイベント）。δ t = 0.6 ± 0.4( st a t
.)± 3.0( sy s .) { delta t=0.6pm 0.4 (mathrm {stat.} )pm 3.0 (mathrm {sys.} )}

ナノ秒、
光ニュートリノと反ミューニュートリノの間 (3 つのニュートリノ イベント):δ t = 1.7 ± 1.4( st a t
.)± 3.2( sy s .) { delta t=1.7pm 1.4 (mathrm {stat.} )pm 3.2 (mathrm {sys.} )}

ナノ秒、
の範囲の光の速度と一致します。− 1.8 × 10 − 6 < v −c c < 2.3 × 10 − 6
{ -1.8times 10^{-6}<{frac {vc}{c}}<2.3times 10^{-6}}

 (90% CL)。

ミノス （2012)

古いタイミング システム
MINOS の共同作業は、2007 年の速度測定値をさらに詳しく調べました。彼らは 7 年間にわたって収集されたデータを調べ、GPS タイミング システムを改善し、電子部品の遅延を理解し、アップグレードされたタイミング機器も使用しました。ニュートリノは、5 ～ 6 バッチを含む 10 μsのスピルにまたがります。分析は 2 つの方法で行われました。まず、2007 年の測定と同様に、遠方検出器のデータは、近方検出器のデータによって統計的に決定されました (「フル スピル アプローチ」): δ t = − 18 ± 11( st a t
.)± 29( sy s .) { delta t=-18pm 11 (mathrm {stat.} )pm 29 (mathrm {sys.} )}

 ナノ秒、
次に、バッチ自体に関連付けられたデータが使用されています (「ラップされたスピル アプローチ」)。δ t = − 11 ± 11( st a t
.)± 29( sy s .) { delta t=-11pm 11 (mathrm {stat.} )pm 29 (mathrm {sys.} )}

 ナノ秒、
これは、ニュートリノが光速で移動することと一致しており、2007 年の暫定的な結果を大幅に改善しています。

新しいタイミング システム
精度をさらに向上させるために、新しいタイミングシステムが開発されました。具体的には、陽子ビームの時間分布を測定する「抵抗壁電流モニター」（RWCM）、CS原子時計、二周波GPS受信機、検出器の潜時を測定するための補助検出器が設置されています。分析では、ニュートリノ イベントを特定の 10μs の陽子流出に関連付けることができ、そこから尤度分析が生成され、その後、さまざまなイベントの尤度が組み合わされました。結果: δ t = − 2.4 ± 0.1( st a t
.)± 2.6( sy s .) { delta t=-2.4pm 0.1 (mathrm {stat.} )pm 2.6 (mathrm {sys.} )}

 ナノ秒、 と v− c c =( 1.0± 1.1 ) × 10 − 6
{ {frac {vc}{c}}=(1.0pm 1.1)times 10^{-6}}

 .
これは、2015 年の最終刊行物で確認されました。

間接的な決定
ローレンツに違反するニュートリノ振動を含む標準モデル拡張などのローレンツに違反するフレームワークは、長距離にわたる他の粒子のエネルギーと崩壊率を測定することにより、光速度とニュートリノ速度の間の偏差の間接的な決定も可能にします。この方法により、Stecker et al.のように、より厳密な境界を得ることができます。:
| |v − c
| |
c< 5.6 × 10 − 19
{ {frac {|vc|}{c}}<5.6times 10^{-19}}

 .
超光速ニュートリノのこのような間接的な境界については、 ローレンツの違反に対する現代の探索 § ニュートリノの速度 を参照して

参考文献
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関連する
「60.7 ナノ秒」、Gianfranco D’Anna ( ISBN  978-3-9524665-0-6 ): 超光速ニュートリノの主張に触発された小説で、野心と不運の信じられないほどの物語を詳細に語っています。

外部リンク
実験と歴史に関する多くの論文を含むINFNリソース リスト: SuperLuminal Neutrino”