Het universum zou een voorspelbaar symmetrische plaats moeten zijn, volgens een hoeksteen van Einsteins speciale relativiteitstheorie, bekend als Lorentz-symmetrie. Dit principe stelt dat elke wetenschapper zich aan dezelfde natuurkundige wetten moet houden, in elke richting, en ongeacht iemands referentiekader, zolang dat object met een constante snelheid beweegt.

Bijvoorbeeld, als gevolg van Lorentz-symmetrie, je moet dezelfde lichtsnelheid observeren - 300 miljoen meter per seconde - of je nu een astronaut bent die door de ruimte reist of een molecuul dat door de bloedbaan beweegt.

Maar voor oneindig kleine objecten die werken met ongelooflijk hoge energieën, en over uitgestrekte, heelal-overspannende afstanden, dezelfde natuurkundige regels zijn mogelijk niet van toepassing. Op deze extreme schalen, er kan sprake zijn van een schending van de Lorentz-symmetrie, of Lorentz-overtreding, waarin een mysterieuze, onbekend veld vervormt het gedrag van deze objecten op een manier die Einstein niet zou voorspellen.

De jacht is begonnen om bewijs te vinden van Lorentz-overtreding in verschillende verschijnselen, van fotonen tot zwaartekracht, zonder definitieve resultaten. Natuurkundigen zijn van mening dat als Lorentz-schending bestaat, het kan ook worden gezien in neutrino's, de lichtste bekende deeltjes in het heelal, die over grote afstanden kunnen reizen en worden geproduceerd door catastrofale hoogenergetische astrofysische verschijnselen. Elke bevestiging dat er een Lorentz-overtreding bestaat, zou wijzen op een volledig nieuwe fysica die niet kan worden verklaard door de theorie van Einstein.

Nu hebben MIT-wetenschappers en hun collega's van het IceCube-experiment geleid tot de meest grondige zoektocht tot nu toe naar Lorentz-schending in neutrino's. Ze analyseerden twee jaar aan gegevens verzameld door het IceCube Neutrino Observatory, een enorme neutrino-detector begraven in het Antarctische ijs. Het team zocht naar variaties in de normale oscillatie van neutrino's die zouden kunnen worden veroorzaakt door een Lorentz-schendend veld. Volgens hun analyse dergelijke afwijkingen werden niet waargenomen in de gegevens, die de atmosferische neutrino's met de hoogste energie omvat die elk experiment heeft verzameld.

De resultaten van het team, vandaag gepubliceerd in Natuurfysica , sluit de mogelijkheid van Lorentz-overtreding in neutrino's uit binnen het hoge energiebereik dat de onderzoekers analyseerden. De resultaten stellen de strengste limieten tot nu toe vast voor het bestaan ​​van Lorentz-schending in neutrino's. Ze leveren ook bewijs dat neutrino's zich gedragen zoals de theorie van Einstein voorspelt.

"Mensen houden van tests van de theorie van Einstein, " zegt Janet Conrad, hoogleraar natuurkunde aan het MIT en een hoofdauteur van het papier. "Ik kan niet zeggen of mensen hem aanmoedigen om gelijk of ongelijk te hebben, maar hij wint in deze, en dat is best geweldig. Het is ongelooflijk om met zo'n veelzijdige theorie te kunnen komen als hij heeft gedaan."

Conrad's co-auteurs aan het MIT, die ook de zoektocht naar Lorentz-overtreding leidde, zijn postdoc Carlos Argüelles en afgestudeerde student Gabriel Collin, die nauw samenwerkte met Teppei Katori, een voormalig postdoc in de groep van Conrad die nu docent deeltjesfysica is aan de Queen Mary University of London. Hun co-auteurs op het papier omvatten de hele IceCube-samenwerking, bestaande uit meer dan 300 onderzoekers van 49 instellingen in 12 landen.

Smaakverandering

Neutrino's bestaan ​​in drie hoofdvariëteiten, of zoals deeltjesfysici ze graag noemen, "smaken":elektron, muon, en tau. Terwijl een neutrino door de ruimte reist, zijn smaak kan schommelen, of morph in een andere smaak. De manier waarop neutrino's oscilleren, hangt meestal af van de massa van een neutrino of de afstand die het heeft afgelegd. Maar als er ergens in het universum een ​​Lorentz-schendend veld bestaat, het kan interageren met neutrino's die door dat veld gaan, en hun oscillaties beïnvloeden.

Om te testen of Lorentz-schending kan worden gevonden in neutrino's, de onderzoekers keken naar gegevens verzameld door het IceCube Observatory. IceCube is een deeltjesdetector van 1 gigaton die is ontworpen om hoogenergetische neutrino's te observeren die zijn geproduceerd uit de meest gewelddadige astrofysische bronnen in het universum. De detector bestaat uit 5, 160 digitale optische modules, of lichtsensoren, die elk zijn bevestigd aan verticale strengen die zijn bevroren in 86 boorgaten die zijn opgesteld over een kubieke kilometer Antarctisch ijs.

Neutrino's die door de ruimte en de aarde stromen, kunnen interageren met het ijs dat de detector vormt of het gesteente eronder. Deze interactie produceert muonen - geladen deeltjes die zwaarder zijn dan elektronen. Muonen stralen licht uit als ze door het ijs gaan, produceren van lange sporen die door de hele detector kunnen gaan. Op basis van het opgenomen licht, wetenschappers kunnen het traject volgen en de energie van een muon schatten, die ze kunnen gebruiken om de energie - en verwachte oscillatie - van het oorspronkelijke neutrino terug te berekenen.

Het team, geleid door Argüelles en Katori, besloot op zoek te gaan naar Lorentz-overtreding in de neutrino's met de hoogste energie die in de atmosfeer van de aarde worden geproduceerd.

"Neutrino-oscillaties zijn een natuurlijke interferometer, " legt Katori uit. "Neutrino-oscillaties waargenomen met IceCube fungeren als de grootste interferometer ter wereld om te zoeken naar de kleinste effecten, zoals een ruimte-tijdtekort."

Het team keek door twee jaar aan gegevens verzameld door IceCube, waarvan meer dan 35, 000 interacties tussen een muonneutrino en de detector. Als er een Lorentz-schendend veld bestaat, de onderzoekers theoretiseerden dat het een abnormaal patroon van oscillaties zou moeten produceren van neutrino's die vanuit een bepaalde richting bij de detector aankomen, die relevanter zou moeten worden naarmate de energie toeneemt. Een dergelijk abnormaal oscillatiepatroon zou moeten overeenkomen met een even abnormaal energiespectrum voor de muonen.

De onderzoekers berekenden de afwijking in het energiespectrum die ze zouden verwachten te zien als Lorentz-schending bestond, en vergeleek dit spectrum met het werkelijke energiespectrum dat IceCube heeft waargenomen, voor de neutrino's met de hoogste energie uit de atmosfeer.

"We zijn op zoek naar een tekort aan muonneutrino's in de richting die grote delen van de aarde doorkruist, " zegt Argüelles. "Deze door Lorentz veroorzaakte verdwijning zou moeten toenemen met toenemende energie."

Als er sprake is van Lorentz-schending, natuurkundigen zijn van mening dat het een duidelijker effect zou moeten hebben op objecten met extreem hoge energieën. De atmosferische neutrino-dataset die door het team is geanalyseerd, is de neutrino-gegevens met de hoogste energie die door elk experiment zijn verzameld.

"We waren aan het kijken of een Lorentz-overtreding een afwijking veroorzaakte, en we hebben het niet gezien, "zegt Conrad. "Dit sluit het boek af over de mogelijkheid van Lorentz-overtreding voor een reeks hoogenergetische neutrino's, voor een zeer lange tijd."

Een overtredende limiet

De resultaten van het team stellen de strengste limiet tot nu toe vast voor hoe sterk neutrino's kunnen worden beïnvloed door een Lorentz-schendend veld. De onderzoekers berekenden op basis van IceCube-gegevens, dat een schendend veld met een bijbehorende energie groter dan 10-36 GeV-2 de oscillaties van een neutrino niet mag beïnvloeden. Dat is 0,01 met nog 35 nullen voorafgaand aan de 1, van een miljardste elektronvolt in het kwadraat - een extreem kleine kracht die veel zwakker is dan de normaal zwakke interacties van neutrino's met de rest van de materie, wat op het niveau van 10-5 GeV-2 ligt.

"We waren in staat om limieten te stellen aan dit hypothetische veld die veel, veel beter dan alle andere die eerder zijn geproduceerd, "zegt Conrad. "Dit was een poging om uit te gaan en naar nieuw gebied te kijken waar we nog niet eerder naar hadden gekeken en om te zien of er problemen zijn in die ruimte, en die zijn er niet. Maar dat weerhoudt ons er niet van om verder te kijken."

Tot dat punt, de groep is van plan om Lorentz-schending te zoeken in neutrino's met nog hogere energie die worden geproduceerd uit astrofysische bronnen. IceCube registreert astrofysische neutrino's, samen met atmosferische, maar wetenschappers hebben geen volledig begrip van hun gedrag, zoals hun normale oscillaties. Zodra ze deze interacties beter kunnen modelleren, Conrad zegt dat het team meer kans heeft om patronen te zoeken die afwijken van de norm.

"Elk artikel dat uit de deeltjesfysica komt, gaat ervan uit dat Einstein gelijk heeft, en al de rest van ons werk bouwt daarop voort, " zegt Conrad. "En tot een zeer goede benadering, hij heeft gelijk. Het is een fundamenteel weefsel van onze theorie. Dus proberen te begrijpen of er afwijkingen zijn, is heel belangrijk om te doen."