Ny undersøgelse viser igen, at Einstein har ret:Den mest grundige test til dato finder ingen Lorentz-krænkelse i neutrinoer med høj energi

Universet skal være et forudsigeligt symmetrisk sted, ifølge en hjørnesten i Einsteins specielle relativitetsteori, kendt som Lorentz symmetri. Dette princip siger, at enhver videnskabsmand bør overholde de samme fysiske love, i enhver retning, og uanset ens referenceramme, så længe objektet bevæger sig med en konstant hastighed.

For eksempel, som en konsekvens af Lorentz symmetri, du bør observere den samme lyshastighed - 300 millioner meter i sekundet - uanset om du er en astronaut, der rejser gennem rummet eller et molekyle, der bevæger sig gennem blodbanen.

Men for uendeligt små objekter, der opererer med utrolig høje energier, og over store, univers-spændende afstande, de samme fysiske regler gælder muligvis ikke. På disse ekstreme skalaer, der kan eksistere en krænkelse af Lorentz symmetri, eller Lorentz -overtrædelse, hvor en mystisk, ukendt felt fordrejer disse objekters adfærd på en måde, som Einstein ikke ville forudsige.

Jagten har været på for at finde tegn på krænkelse af Lorentz i forskellige fænomener, fra fotoner til tyngdekraften, uden endelige resultater. Fysikere mener, at hvis Lorentz krænkelse eksisterer, det kan også ses i neutrinoer, de letteste kendte partikler i universet, som kan rejse over store afstande og er produceret af katastrofale højenergiske astrofysiske fænomener. Enhver bekræftelse på, at Lorentz -krænkelsen eksisterer, peger på en helt ny fysik, der ikke kan forklares med Einsteins teori.

Nu har MIT -forskere og deres kolleger på IceCube -eksperimentet ført til den mest grundige søgning endnu efter Lorentz -krænkelse i neutrinoer. De analyserede to års data indsamlet af IceCube Neutrino Observatory, en massiv neutrinodetektor begravet i Antarktis -isen. Holdet søgte efter variationer i den normale oscillation af neutrinoer, der kunne være forårsaget af et Lorentz-krænkende felt. Ifølge deres analyse, ingen sådanne abnormiteter blev observeret i dataene, som omfatter de neutrinoer med den højeste energi atmosfæriske, som ethvert forsøg har samlet.

Holdets resultater, udgivet i dag i Naturfysik , udelukke muligheden for Lorentz -krænkelse i neutrinoer inden for det høje energiområde, som forskerne analyserede. Resultaterne fastsætter de hidtil strengeste grænser for eksistensen af ​​Lorentz -krænkelse i neutrinoer. De giver også bevis for, at neutrinoer opfører sig på samme måde som Einsteins teori forudsiger.

"Folk elsker test af Einsteins teori, " siger Janet Conrad, professor i fysik ved MIT og en hovedforfatter på papiret. "Jeg kan ikke se, om folk hepper på, at han har ret eller forkert, men han vinder i denne, og det er lidt fantastisk. At være i stand til at komme med en så alsidig teori, som han har gjort, er en utrolig ting."

Conrads medforfattere på MIT, der også ledte søgningen efter krænkelse af Lorentz, er postdoc Carlos Argüelles og kandidatstuderende Gabriel Collin, der samarbejdede tæt med Teppei Katori, en tidligere postdoc i Conrads gruppe, der nu er lektor i partikelfysik ved Queen Mary University of London. Deres medforfattere på papiret inkluderer hele IceCube Collaboration, bestående af mere end 300 forskere fra 49 institutioner i 12 lande.

Smagsændring

Neutrinoer findes i tre hovedvarianter, eller som partikelfysikere ynder at kalde dem, "smag":elektron, muon, og tau. Når en neutrino bevæger sig gennem rummet, dens smag kan svinge, eller omdannes til enhver anden smag. Måden neutrinoer oscillerer afhænger typisk af en neutrinos masse eller den afstand, den har tilbagelagt. Men hvis der findes et Lorentz-krænkende felt et eller andet sted i universet, det kan interagere med neutrinoer, der passerer gennem dette felt, og påvirker deres svingninger.

For at teste, om Lorentz -krænkelse kan findes i neutrinoer, forskerne kiggede på data indsamlet af IceCube Observatory. IceCube er en partikel-detektor på 1 gigaton designet til at observere neutrinoer med høj energi produceret fra de mest voldsomme astrofysiske kilder i universet. Detektoren er sammensat af 5, 160 digitale optiske moduler, eller lyssensorer, hver af dem er fastgjort til lodrette strenge, der er frosset ned i 86 boringer, der er anbragt over en kubik kilometer Antarktis -is.

Neutrinoer, der strømmer gennem rummet og Jorden, kan interagere med isen, der omfatter detektoren eller grundfjeldet under den. Denne interaktion producerer muoner - ladede partikler, der er tungere end elektroner. Muoner udsender lys, når de går gennem isen, producerer lange spor, der kan gå gennem hele detektoren. Baseret på det optagne lys, forskere kan spore banen og estimere energien af ​​en muon, som de kan bruge til at tilbageberegne energien - og den forventede svingning - af den oprindelige neutrino.

Holdet, ledet af Argüelles og Katori, besluttede at lede efter krænkelse af Lorentz i neutrinoerne med den højeste energi, der produceres i Jordens atmosfære.

"Neutrino -svingninger er et naturligt interferometer, "forklarer Katori." Neutrino-svingninger observeret med IceCube fungerer som det største interferometer i verden for at lede efter de mindste effekter som f.eks. et underskud i mellemrum. "

Teamet gennemgik to års data indsamlet af IceCube, som omfattede mere end 35, 000 interaktioner mellem en muonneutrino og detektoren. Hvis der findes et Lorentz-krænkende felt, forskerne teoretiserede, at det skulle frembringe et unormalt mønster af svingninger fra neutrinoer, der ankom til detektoren fra en bestemt retning, som burde blive mere relevant i takt med at energien stiger. Et sådant unormalt svingningsmønster skal svare til et tilsvarende unormalt energispektrum for muonerne.

Forskerne beregnede afvigelsen i energispektret, som de ville forvente at se, om der eksisterede krænkelse af Lorentz, og sammenlignede dette spektrum med det faktiske energispektrum, IceCube observerede, for neutrinoerne med den højeste energi fra atmosfæren.

"Vi leder efter et underskud af muonneutrinoer i den retning, der krydser store fraktioner af Jorden, " Argüelles siger. "Denne Lorentz krænkelse-inducerede forsvinden bør stige med stigende energi."

Hvis Lorentz krænkelse eksisterer, fysikere mener, at det burde have en mere indlysende effekt på objekter ved ekstremt høje energier. Det atmosfæriske neutrinodatasæt, der er analyseret af teamet, er neutrino-data med den højeste energi, der er indsamlet ved ethvert eksperiment.

"Vi ledte efter, om en Lorentz-overtrædelse forårsagede en afvigelse, og vi så det ikke, "Conrad siger." Dette lukker bogen om muligheden for Lorentz-krænkelse for en række højenergienutrinoer, i meget lang tid. "

En grænseoverskridelse

Holdets resultater sætter den strengeste grænse endnu for, hvor stærkt neutrinoer kan blive påvirket af et Lorentz-krænkende felt. Forskerne beregnede, baseret på IceCube -data, at et krænkende felt med en tilhørende energi større end 10-36 GeV-2 ikke bør påvirke en neutrinos svingninger. Det er .01 med 35 flere nuller forud for 1, af en milliarddel af en elektronvolt i kvadrat - en ekstremt lille kraft, der er langt svagere end neutrinoers normalt svage interaktion med resten af ​​stoffet, som er på niveauet 10-5 GeV-2.

"Vi var i stand til at sætte grænser for dette hypotetiske felt, der er meget, meget bedre end nogen, der er blevet produceret før, "Conrad siger." Dette var et forsøg på at gå ud og se på nyt territorium, vi ikke havde set på før og se, om der er problemer i det rum, og det er der ikke. Men det forhindrer os ikke i at søge videre. "

Til det punkt, gruppen planlægger at lede efter Lorentz-overtrædelser i neutrinoer med endnu højere energi, der er produceret fra astrofysiske kilder. IceCube registrerer astrofysiske neutrinoer, sammen med atmosfæriske, men videnskabsmænd har ikke en fuldstændig forståelse af deres adfærd, såsom deres normale svingninger. Når de bedre kan modellere disse interaktioner, Conrad siger, at holdet vil have en bedre chance for at lede efter mønstre, der afviger fra normen.

"Hvert papir, der kommer ud af partikelfysik, antager, at Einstein har ret, og alt resten af ​​vores arbejde bygger på det, " siger Conrad. "Og til en meget god tilnærmelse, han har ret. Det er et grundlæggende stof i vores teori. Så at prøve at forstå, om der er afvigelser til det, er en virkelig vigtig ting at gøre. "