L'universo dovrebbe essere un luogo prevedibilmente simmetrico, secondo una pietra angolare della teoria della relatività ristretta di Einstein, nota come simmetria di Lorentz. Questo principio afferma che ogni scienziato dovrebbe osservare le stesse leggi della fisica, in qualsiasi direzione, e indipendentemente dal proprio quadro di riferimento, finché quell'oggetto si muove a velocità costante.

Ad esempio, come conseguenza della simmetria di Lorentz, dovresti osservare la stessa velocità della luce, 300 milioni di metri al secondo, che tu sia un astronauta che viaggia nello spazio o una molecola che si muove nel flusso sanguigno.

Ma per oggetti infinitamente piccoli che operano a energie incredibilmente alte, e oltre vasto, distanze che abbracciano l'universo, le stesse regole della fisica potrebbero non essere applicabili. A queste scale estreme, potrebbe esistere una violazione della simmetria di Lorentz, o violazione di Lorentz, in cui un misterioso, campo sconosciuto deforma il comportamento di questi oggetti in un modo che Einstein non avrebbe previsto.

La caccia è iniziata per trovare prove della violazione di Lorentz in vari fenomeni, dai fotoni alla gravità, senza risultati definitivi. I fisici credono che se esiste la violazione di Lorentz, potrebbe essere visto anche nei neutrini, le particelle più leggere conosciute nell'universo, che possono percorrere grandi distanze e sono prodotti da fenomeni astrofisici catastrofici ad alta energia. Qualsiasi conferma dell'esistenza della violazione di Lorentz indicherebbe una fisica completamente nuova che non può essere spiegata dalla teoria di Einstein.

Ora gli scienziati del MIT e i loro colleghi dell'esperimento IceCube hanno condotto la ricerca più approfondita finora sulla violazione di Lorentz nei neutrini. Hanno analizzato due anni di dati raccolti dall'Osservatorio IceCube Neutrino, un enorme rivelatore di neutrini sepolto nel ghiaccio antartico. Il team ha cercato variazioni nella normale oscillazione dei neutrini che potrebbero essere causate da un campo che viola Lorentz. Secondo la loro analisi, non sono state osservate tali anomalie nei dati, che comprende i neutrini atmosferici a più alta energia che qualsiasi esperimento ha raccolto.

I risultati della squadra, pubblicato oggi in Fisica della natura , escludere la possibilità di violazione di Lorentz nei neutrini all'interno dell'intervallo di alta energia che i ricercatori hanno analizzato. I risultati stabiliscono i limiti più stringenti fino ad oggi sull'esistenza della violazione di Lorentz nei neutrini. Forniscono anche la prova che i neutrini si comportano proprio come prevede la teoria di Einstein.

"La gente ama i test della teoria di Einstein, "dice Janet Conrad, professore di fisica al MIT e autore principale del documento. "Non riesco a capire se le persone stanno acclamando che abbia ragione o torto, ma vince in questo, e questo è fantastico. Essere in grado di elaborare una teoria così versatile come ha fatto lui è una cosa incredibile".

I coautori di Conrad al MIT, che guidò anche la ricerca per violazione di Lorentz, sono il postdoc Carlos Argüelles e lo studente laureato Gabriel Collin, che ha collaborato a stretto contatto con Teppei Katori, un ex postdoc nel gruppo di Conrad che ora è docente di fisica delle particelle alla Queen Mary University di Londra. I loro coautori sul documento includono l'intera collaborazione IceCube, comprendente più di 300 ricercatori provenienti da 49 istituzioni in 12 paesi.

Cambio di sapore

I neutrini esistono in tre varietà principali, o come amano chiamarli i fisici delle particelle, "sapori":elettrone, muone, e tau. Mentre un neutrino viaggia nello spazio, il suo sapore può oscillare, o trasformarsi in qualsiasi altro sapore. Il modo in cui oscillano i neutrini dipende tipicamente dalla massa di un neutrino o dalla distanza che ha percorso. Ma se un campo che viola Lorentz esiste da qualche parte nell'universo, potrebbe interagire con i neutrini che passano attraverso quel campo, e influenzano le loro oscillazioni.

Per verificare se la violazione di Lorentz può essere trovata nei neutrini, i ricercatori hanno esaminato i dati raccolti dall'Osservatorio IceCube. IceCube è un rivelatore di particelle da 1 gigaton progettato per osservare i neutrini ad alta energia prodotti dalle sorgenti astrofisiche più violente dell'universo. Il rivelatore è composto da 5, 160 moduli ottici digitali, o sensori di luce, ognuno dei quali è attaccato a stringhe verticali che sono congelate in 86 pozzi disposti su un chilometro cubo di ghiaccio antartico.

I neutrini che attraversano lo spazio e la Terra possono interagire con il ghiaccio che comprende il rivelatore o con il substrato roccioso sottostante. Questa interazione produce muoni, particelle cariche che sono più pesanti degli elettroni. I muoni emettono luce mentre attraversano il ghiaccio, producendo lunghe tracce che possono attraversare l'intero rivelatore. In base alla luce registrata, gli scienziati possono tracciare la traiettoria e stimare l'energia di un muone, che possono utilizzare per calcolare a ritroso l'energia — e l'oscillazione prevista — del neutrino originale.

Il gruppo, guidato da Argüelles e Katori, decise di cercare la violazione di Lorentz nei neutrini a più alta energia prodotti nell'atmosfera terrestre.

"Le oscillazioni dei neutrini sono un interferometro naturale, " spiega Katori. "Le oscillazioni dei neutrini osservate con IceCube agiscono come il più grande interferometro al mondo per cercare gli effetti più piccoli come un deficit spazio-temporale".

Il team ha esaminato due anni di dati raccolti da IceCube, che comprendeva più di 35, 000 interazioni tra un neutrino muonico e il rivelatore. Se esiste un campo che viola Lorentz, i ricercatori hanno teorizzato che dovrebbe produrre uno schema anormale di oscillazioni dai neutrini che arrivano al rivelatore da una particolare direzione, che dovrebbe diventare più rilevante all'aumentare dell'energia. Un tale modello di oscillazione anormale dovrebbe corrispondere a uno spettro di energia altrettanto anormale per i muoni.

I ricercatori hanno calcolato la deviazione nello spettro energetico che si aspetterebbero di vedere se esistesse la violazione di Lorentz, e confrontato questo spettro con lo spettro energetico effettivo osservato da IceCube, per i neutrini a più alta energia dall'atmosfera.

"Stiamo cercando un deficit di neutrini muonici lungo la direzione che attraversa grandi frazioni della Terra, " Argüelles dice. "Questa scomparsa indotta dalla violazione di Lorentz dovrebbe aumentare con l'aumentare dell'energia".

Se esiste una violazione di Lorentz, i fisici ritengono che dovrebbe avere un effetto più evidente sugli oggetti a energie estremamente elevate. Il set di dati sui neutrini atmosferici analizzati dal team sono i dati sui neutrini a più alta energia raccolti da qualsiasi esperimento.

"Stavamo cercando di vedere se una violazione di Lorentz avesse causato una deviazione, e non l'abbiamo visto, " Dice Conrad. "Questo chiude il libro sulla possibilità di violazione di Lorentz per una serie di neutrini ad alta energia, per molto tempo».

Un limite violato

I risultati del team stabiliscono il limite più rigoroso fino ad ora sull'intensità con cui i neutrini possono essere influenzati da un campo che viola Lorentz. I ricercatori hanno calcolato, sulla base dei dati IceCube, che un campo violante con un'energia associata maggiore di 10-36 GeV-2 non dovrebbe influenzare le oscillazioni di un neutrino. Questo è .01 con altri 35 zeri che precedono l'1, di un miliardesimo di elettronvolt al quadrato - una forza estremamente piccola che è molto più debole delle interazioni normalmente deboli dei neutrini con il resto della materia, che è al livello di 10-5 GeV-2.

"Siamo riusciti a porre limiti a questo ipotetico campo che sono molto, molto meglio di tutti quelli che sono stati prodotti prima, " Dice Conrad. "Questo è stato un tentativo di uscire e guardare un nuovo territorio che non avevamo mai visto prima e vedere se ci sono problemi in quello spazio, e non ci sono. Ma questo non ci impedisce di guardare oltre".

A quel punto, il gruppo prevede di cercare la violazione di Lorentz in neutrini di energia ancora più elevata prodotti da sorgenti astrofisiche. IceCube registra i neutrini astrofisici, insieme a quelli atmosferici, ma gli scienziati non hanno una comprensione completa del loro comportamento, come le loro normali oscillazioni. Una volta che possono modellare meglio queste interazioni, Conrad afferma che il team avrà maggiori possibilità di cercare modelli che si discostino dalla norma.

"Ogni articolo che esce dalla fisica delle particelle presume che Einstein abbia ragione, e tutto il resto del nostro lavoro si basa su questo, " dice Conrad. "E con un'ottima approssimazione, ha ragione. È un tessuto fondamentale della nostra teoria. Quindi cercare di capire se ci sono delle deviazioni è una cosa davvero importante da fare".