L'univers devrait être un endroit prévisible symétrique, selon une pierre angulaire de la théorie de la relativité restreinte d'Einstein, connue sous le nom de symétrie de Lorentz. Ce principe stipule que tout scientifique doit observer les mêmes lois de la physique, dans n'importe quelle direction, et quel que soit son référentiel, tant que cet objet se déplace à une vitesse constante.

Par exemple, en conséquence de la symétrie de Lorentz, vous devriez observer la même vitesse de la lumière – 300 millions de mètres par seconde – que vous soyez un astronaute voyageant dans l'espace ou une molécule se déplaçant dans la circulation sanguine.

Mais pour les objets infiniment petits qui fonctionnent à des énergies incroyablement élevées, et plus vaste, distances couvrant l'univers, les mêmes règles de physique peuvent ne pas s'appliquer. A ces échelles extrêmes, il peut exister une violation de la symétrie de Lorentz, ou violation de Lorentz, dans lequel un mystérieux, champ inconnu déforme le comportement de ces objets d'une manière qu'Einstein n'aurait pas prédit.

La chasse a été ouverte pour trouver des preuves de violation de Lorentz dans divers phénomènes, des photons à la gravité, sans résultats définitifs. Les physiciens pensent que si la violation de Lorentz existe, cela pourrait aussi être vu dans les neutrinos, les particules les plus légères connues dans l'univers, qui peuvent parcourir de vastes distances et sont produites par des phénomènes astrophysiques cataclysmiques à haute énergie. Toute confirmation de l'existence de la violation de Lorentz indiquerait une physique complètement nouvelle qui ne peut pas être expliquée par la théorie d'Einstein.

Aujourd'hui, les scientifiques du MIT et leurs collègues de l'expérience IceCube ont mené la recherche la plus approfondie à ce jour sur la violation de Lorentz dans les neutrinos. Ils ont analysé deux années de données collectées par l'Observatoire IceCube Neutrino, un énorme détecteur de neutrinos enfoui dans la glace de l'Antarctique. L'équipe a recherché des variations dans l'oscillation normale des neutrinos qui pourraient être causées par un champ violant Lorentz. Selon leur analyse, aucune anomalie de ce type n'a été observée dans les données, qui comprend les neutrinos atmosphériques les plus énergétiques qu'une expérience ait collectés.

Les résultats de l'équipe, publié aujourd'hui dans Physique de la nature , exclure la possibilité d'une violation de Lorentz dans les neutrinos dans la plage de haute énergie analysée par les chercheurs. Les résultats établissent les limites les plus strictes à ce jour sur l'existence de la violation de Lorentz dans les neutrinos. Ils fournissent également la preuve que les neutrinos se comportent exactement comme le prédit la théorie d'Einstein.

"Les gens adorent les tests de la théorie d'Einstein, " dit Janet Conrad, professeur de physique au MIT et auteur principal de l'article. "Je ne peux pas dire si les gens l'encouragent pour qu'il ait raison ou tort, mais il gagne dans celui-ci, et c'est plutôt génial. Pouvoir proposer une théorie aussi polyvalente que lui est une chose incroyable."

Les co-auteurs de Conrad au MIT, qui a également dirigé la recherche de la violation de Lorentz, sont postdoctorants Carlos Argüelles et étudiant diplômé Gabriel Collin, qui a collaboré étroitement avec Teppei Katori, un ancien post-doctorant dans le groupe de Conrad qui est maintenant maître de conférences en physique des particules à l'Université Queen Mary de Londres. Leurs co-auteurs sur le papier incluent l'ensemble de la collaboration IceCube, comprenant plus de 300 chercheurs de 49 institutions dans 12 pays.

Changement de saveur

Les neutrinos existent en trois variétés principales, ou comme aiment à les appeler les physiciens des particules, "saveurs":électron, muon, et tau. Comme un neutrino voyage dans l'espace, sa saveur peut osciller, ou se transformer en n'importe quelle autre saveur. La façon dont les neutrinos oscillent dépend généralement de la masse d'un neutrino ou de la distance qu'il a parcourue. Mais si un champ violant Lorentz existe quelque part dans l'univers, il pourrait interagir avec les neutrinos traversant ce champ, et affectent leurs oscillations.

Pour tester si la violation de Lorentz peut être trouvée dans les neutrinos, les chercheurs se sont penchés sur les données recueillies par l'observatoire IceCube. IceCube est un détecteur de particules de 1 gigatonne conçu pour observer les neutrinos de haute énergie produits par les sources astrophysiques les plus violentes de l'univers. Le détecteur est composé de 5, 160 modules optiques numériques, ou capteurs de lumière, dont chacun est attaché à des cordes verticales qui sont gelées dans 86 trous de forage disposés sur un kilomètre cube de glace antarctique.

Les neutrinos traversant l'espace et la Terre peuvent interagir avec la glace qui constitue le détecteur ou le substratum rocheux en dessous. Cette interaction produit des muons, des particules chargées plus lourdes que les électrons. Les muons émettent de la lumière lorsqu'ils traversent la glace, produisant de longues pistes qui peuvent traverser tout le détecteur. Sur la base de la lumière enregistrée, les scientifiques peuvent suivre la trajectoire et estimer l'énergie d'un muon, qu'ils peuvent utiliser pour recalculer l'énergie - et l'oscillation attendue - du neutrino d'origine.

L'équipe, dirigé par Argüelles et Katori, a décidé de rechercher la violation de Lorentz dans les neutrinos les plus énergétiques produits dans l'atmosphère terrestre.

"Les oscillations des neutrinos sont un interféromètre naturel, " explique Katori. " Les oscillations de neutrinos observées avec IceCube agissent comme le plus grand interféromètre au monde pour rechercher les effets les plus infimes tels qu'un déficit espace-temps. "

L'équipe a examiné deux années de données recueillies par IceCube, qui en comprenait plus de 35, 000 interactions entre un neutrino muonique et le détecteur. S'il existe un champ violant Lorentz, les chercheurs ont émis l'hypothèse qu'il devrait produire un schéma anormal d'oscillations des neutrinos arrivant au détecteur depuis une direction particulière, qui devrait devenir plus pertinent à mesure que l'énergie augmente. Une telle configuration d'oscillation anormale devrait correspondre à un spectre d'énergie tout aussi anormal pour les muons.

Les chercheurs ont calculé l'écart dans le spectre d'énergie qu'ils s'attendraient à voir si la violation de Lorentz existait, et comparé ce spectre au spectre d'énergie réel observé par IceCube, pour les neutrinos les plus énergétiques de l'atmosphère.

"Nous recherchons un déficit de neutrinos muoniques le long de la direction qui traverse de grandes fractions de la Terre, " dit Argüelles. " Cette disparition induite par la violation de Lorentz devrait augmenter avec l'augmentation de l'énergie. "

Si la violation de Lorentz existe, les physiciens pensent qu'il devrait avoir un effet plus évident sur les objets à des énergies extrêmement élevées. L'ensemble de données sur les neutrinos atmosphériques analysés par l'équipe sont les données sur les neutrinos les plus énergétiques collectées par n'importe quelle expérience.

"Nous cherchions à voir si une violation de Lorentz provoquait une déviation, et nous ne l'avons pas vu, " dit Conrad. " Ceci clôt le livre sur la possibilité d'une violation de Lorentz pour une gamme de neutrinos de haute énergie, pendant très longtemps."

Une limite dépassée

Les résultats de l'équipe fixent la limite la plus stricte à ce jour quant à la force avec laquelle les neutrinos peuvent être affectés par un champ violant Lorentz. Les chercheurs ont calculé, basé sur les données IceCube, qu'un champ violant avec une énergie associée supérieure à 10-36 GeV-2 ne devrait pas affecter les oscillations d'un neutrino. C'est 0,01 avec 35 zéros supplémentaires précédant le 1, d'un milliardième d'électronvolt au carré - une force extrêmement petite qui est beaucoup plus faible que les interactions normalement faibles des neutrinos avec le reste de la matière, qui est au niveau de 10-5 GeV-2.

« Nous avons pu fixer des limites à ce domaine hypothétique qui sont beaucoup, bien mieux que tout ce qui a été produit auparavant, " dit Conrad. " C'était une tentative de sortir et d'examiner un nouveau territoire que nous n'avions pas examiné auparavant et de voir s'il y a des problèmes dans cet espace, et il n'y en a pas. Mais cela ne nous empêche pas de chercher plus loin."

A ce point, le groupe prévoit de rechercher la violation de Lorentz dans des neutrinos encore plus énergétiques qui sont produits à partir de sources astrophysiques. IceCube enregistre les neutrinos astrophysiques, avec ceux atmosphériques, mais les scientifiques n'ont pas une compréhension complète de leur comportement, telles que leurs oscillations normales. Une fois qu'ils pourront mieux modéliser ces interactions, Conrad dit que l'équipe aura une meilleure chance de rechercher des modèles qui s'écartent de la norme.

"Chaque article qui sort de la physique des particules suppose qu'Einstein a raison, et tout le reste de notre travail s'appuie sur cela, " dit Conrad. " Et à une très bonne approximation, il a raison. C'est un tissu fondamental de notre théorie. Donc, essayer de comprendre s'il y a des écarts par rapport à cela est une chose vraiment importante à faire."