El universo debería ser un lugar predeciblemente simétrico, según una piedra angular de la teoría de la relatividad especial de Einstein, conocida como simetría de Lorentz. Este principio establece que cualquier científico debe observar las mismas leyes de la física, en cualquier dirección, e independientemente del marco de referencia de uno, siempre que ese objeto se mueva a una velocidad constante.

Por ejemplo, como consecuencia de la simetría de Lorentz, debe observar la misma velocidad de la luz, 300 millones de metros por segundo, ya sea que sea un astronauta que viaja por el espacio o una molécula que se mueve a través del torrente sanguíneo.

Pero para objetos infinitesimalmente pequeños que operan a energías increíblemente altas, y sobre vasto, distancias que abarcan el universo, es posible que no se apliquen las mismas reglas de la física. En estas escalas extremas, puede existir una violación a la simetría de Lorentz, o violación de Lorentz, en el que un misterioso, campo desconocido deforma el comportamiento de estos objetos de una manera que Einstein no predeciría.

Se ha iniciado la búsqueda de pruebas de la violación de Lorentz en varios fenómenos, de los fotones a la gravedad, sin resultados definitivos. Los físicos creen que si existe una violación de Lorentz, también podría verse en neutrinos, las partículas más ligeras conocidas del universo, que pueden viajar a grandes distancias y son producidos por fenómenos astrofísicos cataclísmicos de alta energía. Cualquier confirmación de que existe una violación de Lorentz apuntaría a una física completamente nueva que no puede ser explicada por la teoría de Einstein.

Ahora, los científicos del MIT y sus colegas en el Experimento IceCube han dirigido la búsqueda más completa hasta ahora de la violación de Lorentz en neutrinos. Analizaron dos años de datos recopilados por el Observatorio de Neutrinos IceCube, un detector de neutrinos masivo enterrado en el hielo de la Antártida. El equipo buscó variaciones en la oscilación normal de los neutrinos que podrían ser causadas por un campo que viola Lorentz. Según su análisis, no se observaron tales anomalías en los datos, que comprende los neutrinos atmosféricos de mayor energía que cualquier experimento haya recopilado.

Los resultados del equipo, publicado hoy en Física de la naturaleza , descartar la posibilidad de violación de Lorentz en neutrinos dentro del rango de alta energía que analizaron los investigadores. Los resultados establecen los límites más estrictos hasta la fecha sobre la existencia de violación de Lorentz en neutrinos. También proporcionan evidencia de que los neutrinos se comportan tal como predice la teoría de Einstein.

"A la gente le encantan las pruebas de la teoría de Einstein, "dice Janet Conrad, profesor de física en el MIT y autor principal del artículo. "No puedo decir si la gente lo anima para que tenga razón o no, pero gana en este, y eso es genial. Ser capaz de proponer una teoría tan versátil como él lo ha hecho es algo increíble ".

Los coautores de Conrad en el MIT, quien también lideró la búsqueda de la violación de Lorentz, son el postdoctorado Carlos Argüelles y el estudiante graduado Gabriel Collin, que colaboró ​​estrechamente con Teppei Katori, un ex postdoctorado en el grupo de Conrad que ahora es profesor de física de partículas en la Universidad Queen Mary de Londres. Sus coautores del artículo incluyen la colaboración completa de IceCube, compuesto por más de 300 investigadores de 49 instituciones en 12 países.

Cambio de sabor

Los neutrinos existen en tres variedades principales, o como les gusta llamarlos a los físicos de partículas, "sabores":electrón, muon, y tau. Mientras un neutrino viaja por el espacio, su sabor puede oscilar, o transformarse en cualquier otro sabor. La forma en que oscilan los neutrinos depende típicamente de la masa de un neutrino o de la distancia que ha viajado. Pero si existe un campo que viola Lorentz en algún lugar del universo, podría interactuar con los neutrinos que atraviesan ese campo, y afectan sus oscilaciones.

Para probar si la violación de Lorentz se puede encontrar en neutrinos, los investigadores buscaron datos recopilados por el Observatorio IceCube. IceCube es un detector de partículas de 1 gigatonelada diseñado para observar neutrinos de alta energía producidos a partir de las fuentes astrofísicas más violentas del universo. El detector se compone de 5, 160 módulos ópticos digitales, o sensores de luz, cada uno de los cuales está unido a cuerdas verticales que están congeladas en 86 perforaciones dispuestas sobre un kilómetro cúbico de hielo antártico.

Los neutrinos que fluyen a través del espacio y la Tierra pueden interactuar con el hielo que comprende el detector o el lecho de roca debajo de él. Esta interacción produce muones, partículas cargadas que son más pesadas que los electrones. Los muones emiten luz a medida que atraviesan el hielo, produciendo pistas largas que pueden atravesar todo el detector. Según la luz registrada, los científicos pueden rastrear la trayectoria y estimar la energía de un muón, que pueden utilizar para calcular la energía —y la oscilación esperada— del neutrino original.

El equipo, liderado por Argüelles y Katori, decidió buscar la violación de Lorentz en los neutrinos de mayor energía que se producen en la atmósfera terrestre.

"Las oscilaciones de neutrinos son un interferómetro natural, ", explica Katori." Las oscilaciones de neutrinos observadas con IceCube actúan como el interferómetro más grande del mundo para buscar los efectos más pequeños, como un déficit de espacio-tiempo ".

El equipo examinó dos años de datos recopilados por IceCube, que comprendía más de 35, 000 interacciones entre un neutrino muónico y el detector. Si existe un campo que viola Lorentz, los investigadores teorizaron que debería producir un patrón anormal de oscilaciones de los neutrinos que llegan al detector desde una dirección particular, que debería ser más relevante a medida que aumenta la energía. Tal patrón de oscilación anormal debería corresponder a un espectro de energía anormal similar para los muones.

Los investigadores calcularon la desviación en el espectro de energía que esperarían ver si existiera la violación de Lorentz, y comparó este espectro con el espectro de energía real observado por IceCube, para los neutrinos de mayor energía de la atmósfera.

"Estamos buscando un déficit de neutrinos muónicos en la dirección que atraviesa grandes fracciones de la Tierra, "Dice Argüelles." Esta desaparición inducida por la violación de Lorentz debería aumentar con el aumento de energía ".

Si existe una violación de Lorentz, los físicos creen que debería tener un efecto más obvio en objetos con energías extremadamente altas. El conjunto de datos de neutrinos atmosféricos analizados por el equipo son los datos de neutrinos de mayor energía recopilados por cualquier experimento.

"Buscábamos ver si una infracción de Lorentz provocó una desviación, y no lo vimos, "Dice Conrad." Esto cierra el libro sobre la posibilidad de violación de Lorentz para una gama de neutrinos de alta energía, por un largo tiempo."

Un límite violador

Los resultados del equipo establecen el límite más estricto hasta ahora sobre la intensidad con la que los neutrinos pueden verse afectados por un campo que viola Lorentz. Los investigadores calcularon, basado en datos de IceCube, que un campo de violación con una energía asociada superior a 10-36 GeV-2 no debería afectar las oscilaciones de un neutrino. Eso es .01 con 35 ceros más antes del 1, de una mil millonésima parte de un electronvoltio al cuadrado, una fuerza extremadamente pequeña que es mucho más débil que las interacciones normalmente débiles de los neutrinos con el resto de la materia, que está en el nivel de 10-5 GeV-2.

"Pudimos establecer límites en este campo hipotético que son mucho, mucho mejor que cualquiera que se haya producido antes, "Dice Conrad." Este fue un intento de salir y mirar un nuevo territorio que no habíamos visto antes y ver si había algún problema en ese espacio, y no los hay. Pero eso no nos impide buscar más ".

Hasta ese punto, el grupo planea buscar la violación de Lorentz en neutrinos de energía aún más alta que se producen a partir de fuentes astrofísicas. IceCube registra neutrinos astrofísicos, junto con los atmosféricos, pero los científicos no tienen una comprensión completa de su comportamiento, como sus oscilaciones normales. Una vez que puedan modelar mejor estas interacciones, Conrad dice que el equipo tendrá más posibilidades de buscar patrones que se desvíen de la norma.

"Cada artículo que surge de la física de partículas asume que Einstein tiene razón, y todo el resto de nuestro trabajo se basa en eso, "Dice Conrad." Y en una muy buena aproximación, él tiene razón. Es un tejido fundamental de nuestra teoría. Por lo tanto, tratar de comprender si hay alguna desviación es algo realmente importante ".