O universo deve ser um lugar previsivelmente simétrico, de acordo com uma pedra angular da teoria da relatividade especial de Einstein, conhecido como simetria de Lorentz. Este princípio afirma que qualquer cientista deve observar as mesmas leis da física, em qualquer direção, e independentemente do seu quadro de referência, contanto que esse objeto esteja se movendo a uma velocidade constante.

Por exemplo, como consequência da simetria de Lorentz, você deve observar a mesma velocidade da luz - 300 milhões de metros por segundo - seja um astronauta viajando pelo espaço ou uma molécula se movendo na corrente sanguínea.

Mas para objetos infinitesimalmente pequenos que operam com energias incrivelmente altas, e mais vasto, distâncias abrangendo o universo, as mesmas regras da física podem não se aplicar. Nessas escalas extremas, pode haver uma violação da simetria de Lorentz, ou violação de Lorentz, em que um misterioso, campo desconhecido distorce o comportamento desses objetos de uma forma que Einstein não poderia prever.

A busca foi para encontrar evidências de violação de Lorentz em vários fenômenos, dos fótons à gravidade, sem resultados definitivos. Os físicos acreditam que, se houver violação de Lorentz, também pode ser visto em neutrinos, as partículas mais leves conhecidas no universo, que podem viajar por grandes distâncias e são produzidos por fenômenos astrofísicos cataclísmicos de alta energia. Qualquer confirmação de que existe violação de Lorentz apontaria para uma física completamente nova que não pode ser explicada pela teoria de Einstein.

Agora, os cientistas do MIT e seus colegas do Experimento IceCube conduziram a pesquisa mais completa até então sobre a violação de Lorentz em neutrinos. Eles analisaram dois anos de dados coletados pelo Observatório de Neutrinos IceCube, um detector de neutrino maciço enterrado no gelo da Antártica. A equipe procurou variações na oscilação normal dos neutrinos que poderiam ser causadas por um campo violando Lorentz. De acordo com a análise deles, nenhuma anormalidade foi observada nos dados, que compreende os neutrinos atmosféricos de mais alta energia que qualquer experimento coletou.

Os resultados da equipe, publicado hoje em Física da Natureza , descarta a possibilidade de violação de Lorentz em neutrinos dentro da faixa de alta energia que os pesquisadores analisaram. Os resultados estabelecem os limites mais rigorosos até o momento sobre a existência de violação de Lorentz em neutrinos. Eles também fornecem evidências de que os neutrinos se comportam exatamente como a teoria de Einstein prevê.

"As pessoas adoram testes da teoria de Einstein, "diz Janet Conrad, professor de física no MIT e um dos principais autores do artigo. "Eu não posso dizer se as pessoas estão torcendo para que ele esteja certo ou errado, mas ele vence neste, e isso é ótimo. Ser capaz de apresentar uma teoria tão versátil quanto ele é uma coisa incrível. "

Co-autores de Conrad no MIT, que também liderou a busca por violação de Lorentz, são o pós-doutorando Carlos Argüelles e o estudante de graduação Gabriel Collin, que colaborou estreitamente com Teppei Katori, um ex-pós-doutorado no grupo de Conrad que agora é professor de física de partículas na Queen Mary University of London. Seus co-autores no artigo incluem toda a Colaboração IceCube, compreendendo mais de 300 pesquisadores de 49 instituições em 12 países.

Mudança de sabor

Neutrinos existem em três variedades principais, ou como os físicos de partículas gostam de chamá-los, "sabores":elétron, muon, e tau. À medida que um neutrino viaja pelo espaço, seu sabor pode oscilar, ou se transformar em qualquer outro sabor. A forma como os neutrinos oscilam normalmente depende da massa do neutrino ou da distância que ele percorreu. Mas se um campo violador de Lorentz existe em algum lugar do universo, poderia interagir com neutrinos que passam por esse campo, e afetam suas oscilações.

Para testar se a violação de Lorentz pode ser encontrada em neutrinos, os pesquisadores analisaram os dados coletados pelo Observatório IceCube. IceCube é um detector de partículas de 1 gigaton projetado para observar neutrinos de alta energia produzidos a partir das fontes astrofísicas mais violentas do universo. O detector é composto por 5, 160 módulos ópticos digitais, ou sensores de luz, cada um dos quais está ligado a fios verticais que são congelados em 86 poços dispostos ao longo de um quilômetro cúbico de gelo da Antártida.

Neutrinos fluindo através do espaço e da Terra podem interagir com o gelo que constitui o detector ou com a base rochosa abaixo dele. Essa interação produz múons - partículas carregadas que são mais pesadas que os elétrons. Os múons emitem luz à medida que atravessam o gelo, produzindo trilhas longas que podem passar por todo o detector. Com base na luz registrada, os cientistas podem rastrear a trajetória e estimar a energia de um múon, que eles podem usar para calcular a energia - e a oscilação esperada - do neutrino original.

O time, liderado por Argüelles e Katori, decidiu procurar a violação de Lorentz nos neutrinos de energia mais alta que são produzidos na atmosfera da Terra.

"As oscilações de neutrino são um interferômetro natural, "explica Katori." As oscilações de neutrino observadas com IceCube atuam como o maior interferômetro do mundo para procurar os menores efeitos, como um déficit de espaço-tempo. "

A equipe analisou dois anos de dados coletados pelo IceCube, que compreendia mais de 35, 000 interações entre um neutrino de múon e o detector. Se existir um campo que viole Lorentz, os pesquisadores teorizaram que deveria produzir um padrão anormal de oscilações de neutrinos que chegam ao detector de uma direção específica, que deve se tornar mais relevante à medida que a energia aumenta. Esse padrão de oscilação anormal deve corresponder a um espectro de energia anormal semelhante para os múons.

Os pesquisadores calcularam o desvio no espectro de energia que esperariam ver se existisse a violação de Lorentz, e comparou este espectro com o espectro de energia real que o IceCube observou, para os neutrinos de maior energia da atmosfera.

"Estamos procurando um déficit de neutrinos do múon ao longo da direção que atravessa grandes frações da Terra, "Argüelles diz." Este desaparecimento induzido pela violação de Lorentz deve aumentar com o aumento da energia. "

Se houver violação de Lorentz, os físicos acreditam que deveria ter um efeito mais óbvio em objetos com energias extremamente altas. O conjunto de dados de neutrinos atmosféricos analisados ​​pela equipe são os dados de neutrinos de maior energia coletados por qualquer experimento.

"Estávamos procurando ver se uma violação de Lorentz causou um desvio, e nós não vimos isso, "Diz Conrad." Isso fecha o livro sobre a possibilidade de violação de Lorentz para uma gama de neutrinos de alta energia, por um longo período de tempo."

Um limite violador

Os resultados da equipe estabeleceram o limite mais rigoroso de quão fortemente os neutrinos podem ser afetados por um campo violador de Lorentz. Os pesquisadores calcularam, com base nos dados do IceCube, que um campo violado com uma energia associada maior que 10-36 GeV-2 não deve afetar as oscilações de um neutrino. Isso é 0,01 com mais 35 zeros precedendo o 1, de um bilionésimo de um elétron-volt ao quadrado - uma força extremamente pequena que é muito mais fraca do que as interações normalmente fracas dos neutrinos com o resto da matéria, que está no nível de 10-5 GeV-2.

"Fomos capazes de estabelecer limites neste campo hipotético que são muito, muito melhor do que qualquer um que tenha sido produzido antes, "Conrad diz." Esta foi uma tentativa de sair e olhar para um novo território que não tínhamos visto antes e ver se há algum problema naquele espaço, e não há. Mas isso não nos impede de olhar mais longe. "

Até esse ponto, o grupo planeja procurar por violação de Lorentz em neutrinos de energia ainda mais alta que são produzidos a partir de fontes astrofísicas. IceCube registra neutrinos astrofísicos, junto com os atmosféricos, mas os cientistas não têm uma compreensão completa de seu comportamento, como suas oscilações normais. Uma vez que eles podem modelar melhor essas interações, Conrad diz que a equipe terá uma chance melhor de procurar padrões que se desviem da norma.

"Todo artigo que sai da física de partículas assume que Einstein está certo, e todo o resto do nosso trabalho se baseia nisso, "Conrad diz." E com uma aproximação muito boa, ele está correto. É um tecido fundamental de nossa teoria. Portanto, tentar entender se há algum desvio é uma coisa muito importante a se fazer. "