Universum ska vara en förutsägbart symmetrisk plats, enligt en hörnsten i Einsteins teori om särskild relativitet, känd som Lorentz symmetri. Denna princip säger att alla forskare bör följa samma fysikaliska lagar, åt alla håll, och oavsett referensram, så länge objektet rör sig med en konstant hastighet.

Till exempel, som en följd av Lorentz symmetri, du bör observera samma ljushastighet - 300 miljoner meter per sekund - oavsett om du är en astronaut som reser genom rymden eller en molekyl som rör sig genom blodomloppet.

Men för oändligt små föremål som fungerar med otroligt höga energier, och över stora, universums sträckor, samma fysikregler kanske inte gäller. På dessa extrema skalor, det kan finnas en kränkning av Lorentz symmetri, eller Lorentz -kränkning, där en mystisk, okänt fält förvränger beteendet hos dessa objekt på ett sätt som Einstein inte skulle förutsäga.

Jakten har pågått för att hitta bevis för Lorentz kränkning i olika fenomen, från fotoner till gravitation, utan slutgiltiga resultat. Fysiker tror att om Lorentz kränkning finns, det kan också ses i neutrinoer, de lättaste kända partiklarna i universum, som kan färdas över stora avstånd och som produceras av katastrofala astrofysiska fenomen med hög energi. Varje bekräftelse på att Lorentz -kränkning finns skulle peka på en helt ny fysik som inte kan förklaras av Einsteins teori.

Nu har MIT -forskare och deras kollegor på IceCube Experiment lett den mest noggranna sökningen hittills av Lorentz -kränkning i neutrinoer. De analyserade två års data som samlats in av IceCube Neutrino Observatory, en massiv neutrino -detektor begravd i isen på Antarktis. Teamet sökte efter variationer i den normala oscillationen av neutrinoer som kan orsakas av ett Lorentz-kränkande fält. Enligt deras analys, inga sådana avvikelser observerades i data, som innehåller de neutrinoer med högsta energi i atmosfären som alla experiment har samlat in.

Lagets resultat, publicerad idag i Naturfysik , utesluta möjligheten att Lorentz kränker neutrinoer inom det höga energiområde som forskarna analyserade. Resultaten fastställer de hittills strängaste gränserna för förekomsten av Lorentz -kränkning i neutrinoer. De ger också bevis på att neutrinoer beter sig precis som Einsteins teori förutspår.

"Folk älskar tester av Einsteins teori, "säger Janet Conrad, professor i fysik vid MIT och en huvudförfattare på tidningen. "Jag kan inte säga om folk hejar på att han ska ha rätt eller fel, men han vinner i den här, och det är jättebra. Att få komma med en lika mångsidig teori som han har gjort är en otrolig sak. "

Conrads medförfattare vid MIT, som också ledde sökandet efter Lorentz -kränkning, är postdoc Carlos Argüelles och doktorand Gabriel Collin, som samarbetade nära med Teppei Katori, en före detta postdoc i Conrads grupp som nu är lektor i partikelfysik vid Queen Mary University of London. Deras medförfattare på tidningen inkluderar hela IceCube Collaboration, omfattande mer än 300 forskare från 49 institutioner i 12 länder.

Smaksändring

Neutrinos finns i tre huvudvarianter, eller som partikelfysiker gillar att kalla dem, "smaker":elektron, muon, och tau. När en neutrino färdas genom rymden, dess smak kan svänga, eller förvandlas till någon annan smak. Sättet neutrinoer oscillerar beror vanligtvis på en neutrinos massa eller avståndet som den har rest. Men om det finns ett Lorentz-kränkande fält någonstans i universum, det kan interagera med neutriner som passerar genom det fältet, och påverkar deras svängningar.

För att testa om Lorentz -kränkning kan hittas hos neutrinoer, forskarna tittade på data som samlats in av IceCube Observatory. IceCube är en partikeldetektor på 1 gigaton som är utformad för att observera högenergin neutrinoer som produceras från de mest våldsamma astrofysiska källorna i universum. Detektorn består av 5, 160 digitala optiska moduler, eller ljussensorer, var och en är fäst vid vertikala strängar som fryses ner i 86 borrhål som ligger över en kubik kilometer av Antarktis is.

Neutrinos som strömmar genom rymden och jorden kan interagera med isen som omfattar detektorn eller berggrunden nedanför den. Denna interaktion producerar muoner - laddade partiklar som är tyngre än elektroner. Muoner avger ljus när de går genom isen, producerar långa spår som kan gå igenom hela detektorn. Baserat på det inspelade ljuset, forskare kan spåra banan och uppskatta energin hos en muon, som de kan använda för att återberäkna energin-och förväntad svängning-för den ursprungliga neutrino.

Laget, ledd av Argüelles och Katori, bestämde sig för att leta efter Lorentz-kränkning i neutrinoerna med hög energi som produceras i jordens atmosfär.

"Neutrino -svängningar är en naturlig interferometer, "förklarar Katori." Neutrino-svängningar som observerats med IceCube fungerar som den största interferometern i världen för att leta efter de minsta effekterna, till exempel ett underskott i rymdtid. "

Teamet tittade igenom två års data som samlats in av IceCube, som omfattade mer än 35, 000 interaktioner mellan en muonneutrino och detektorn. Om det finns ett Lorentz-kränkande fält, forskarna teoretiserade att det skulle producera ett onormalt oscillationsmönster från neutrinoer som kommer till detektorn från en viss riktning, som borde bli mer relevant när energin ökar. Ett sådant onormalt oscillationsmönster bör motsvara ett liknande onormalt energispektrum för muonerna.

Forskarna beräknade avvikelsen i energispektrumet som de skulle förvänta sig att se om Lorentz -kränkning fanns, och jämförde detta spektrum med det faktiska energispektrum IceCube observerat, för neutrinoerna med hög energi från atmosfären.

"Vi letar efter ett underskott av muonneutriner längs den riktning som passerar stora delar av jorden, "Argüelles säger." Detta Lorentz-kränkningsinducerade försvinnande bör öka med ökande energi. "

Om Lorentz -kränkning finns, fysiker tror att det borde ha en mer uppenbar effekt på objekt med extremt höga energier. Den atmosfäriska neutrinodataset som analyseras av teamet är neutrino-data med högsta energi som samlats in av något experiment.

"Vi letade efter om en Lorentz -kränkning orsakade en avvikelse, och vi såg det inte, "Conrad säger." Detta stänger boken om möjligheten att Lorentz kränker för en rad högenergin neutrinoer, under mycket lång tid. "

En överträdande gräns

Lagets resultat sätter den strängaste gränsen än för hur starkt neutrinoer kan påverkas av ett Lorentz-kränkande fält. Forskarna beräknade, baserat på IceCube -data, att ett kränkande fält med en tillhörande energi som är större än 10-36 GeV-2 inte ska påverka en neutrinos oscillationer. Det är .01 med ytterligare 35 nollor före 1, på en miljarddel en elektronvolt i kvadrat-en extremt liten kraft som är mycket svagare än neutrinos normalt svaga interaktioner med resten av materia, som ligger på nivån 10-5 GeV-2.

"Vi kunde sätta gränser för detta hypotetiska fält som är mycket, mycket bättre än något som har producerats tidigare, "Conrad säger." Detta var ett försök att gå ut och titta på nytt territorium som vi inte hade tittat på tidigare och se om det finns några problem i det utrymmet, och det finns det inte. Men det hindrar oss inte från att leta längre. "

Till den punkten, gruppen planerar att leta efter Lorentz kränkning i ännu högre energi neutrinoer som produceras från astrofysiska källor. IceCube spelar in astrofysiska neutrinoer, tillsammans med atmosfäriska, men forskare har inte en fullständig förståelse för deras beteende, som deras normala svängningar. När de bättre kan modellera dessa interaktioner, Conrad säger att laget kommer att ha en bättre chans att leta efter mönster som avviker från normen.

"Varje papper som kommer ur partikelfysiken förutsätter att Einstein har rätt, och resten av vårt arbete bygger på det, "Säger Conrad." Och till en mycket bra approximation, han har rätt. Det är en grundläggande struktur i vår teori. Så att försöka förstå om det finns några avvikelser från det är en väldigt viktig sak. "