Se han llevado a cabo experimentos tanto terrestres como astronómicos y se han introducido nuevas técnicas experimentales. Hasta el momento no se han medido violaciones de Lorentz y las excepciones en las que se informaron resultados positivos han sido refutadas o carecen de más confirmaciones. Para discusiones sobre muchos experimentos, ver Mattingly (2005). [1] Para obtener una lista detallada de los resultados de búsquedas experimentales recientes, consulte Kostelecký y Russell (2008-2013). [2] Para obtener una descripción general reciente y la historia de la violación de modelos de Lorentz, consulte Liberati (2013). [3]
Evaluación de violaciones de la invariancia de Lorentz
El marco de Robertson-Mansouri-Sexl (RMS) contiene tres parámetros que indican desviaciones en la velocidad de la luz con respecto a un marco de referencia preferido.
El marco c 2 (un caso especial del marco más general THεμ) introduce una relación de dispersión modificada y describe las violaciones de Lorentz en términos de una discrepancia entre la velocidad de la luz y la velocidad máxima alcanzable de la materia, en presencia de un marco preferido. [4] [5]
La relatividad muy especial describe simetrías espacio-temporales que son ciertos subgrupos propios del grupo de Poincaré. Se demostró que la relatividad especial sólo es coherente con este esquema en el contexto de la teoría cuántica de campos o la conservación CP .
Sin embargo, la extensión del modelo estándar (SME), en la que los efectos violadores de Lorentz se introducen mediante una ruptura espontánea de la simetría , se utiliza para la mayoría de los análisis modernos de resultados experimentales. Fue introducido por Kostelecký y sus colegas en 1997 y los años siguientes, y contiene todos los posibles coeficientes que violan Lorentz y CPT y que no violan la simetría de calibre . [6] [7] Incluye no sólo la relatividad especial, sino también el modelo estándar y la relatividad general. Los modelos cuyos parámetros pueden relacionarse con SME y, por lo tanto, pueden verse como casos especiales del mismo, incluyen los modelos más antiguos RMS y c 2 , [8] el modelo Coleman - Glashow que limita los coeficientes SME a operadores de dimensión 4 y la invariancia de rotación, [9 ] y el modelo Gambini - Pullin [10] o el modelo Myers-Pospelov [11] correspondientes a operadores de dimensión 5 o superior de PYME. [12]
Velocidad de la luz
Terrestre
Se han realizado muchos experimentos terrestres, principalmente con resonadores ópticos o en aceleradores de partículas, mediante los cuales se prueban las desviaciones de la isotropía de la velocidad de la luz . Los parámetros de anisotropía vienen dados, por ejemplo, por la teoría de pruebas de Robertson-Mansouri-Sexl (RMS). Esto permite distinguir entre los parámetros relevantes que dependen de la orientación y la velocidad. En variantes modernas del experimento de Michelson-Morley , se analiza la dependencia de la velocidad de la luz de la orientación del aparato y la relación de las longitudes longitudinales y transversales de los cuerpos en movimiento. También se han llevado a cabo variantes modernas del experimento Kennedy-Thorndike , mediante el cual se analiza la dependencia de la velocidad de la luz con la velocidad del aparato y la relación entre la dilatación del tiempo y la contracción de la longitud ; el límite alcanzado recientemente para la prueba de Kennedy-Thorndike arroja 7 10 −12 . [13] La precisión actual, mediante la cual se puede excluir una anisotropía de la velocidad de la luz, se encuentra en el nivel 10 −17 . Esto está relacionado con la velocidad relativa entre el Sistema Solar y el marco de reposo de la radiación cósmica de fondo de microondas de ~368 km/s (ver también Experimentos del resonador Michelson-Morley ).
Además, la Extensión del Modelo Estándar (SME) se puede utilizar para obtener una mayor cantidad de coeficientes de isotropía en el sector de fotones. Utiliza los coeficientes de paridad par e impar (matrices de 3 × 3 ) y . [8] Se pueden interpretar de la siguiente manera: representan cambios anisotrópicos en la velocidad bidireccional (hacia adelante y hacia atrás) de la luz, representan diferencias anisotrópicas en la velocidad unidireccional de los haces que se contrapropagan a lo largo de un eje, [14] [15] y representan cambios isotrópicos (independientes de la orientación) en la velocidad de fase unidireccional de la luz. [16] Se demostró que tales variaciones en la velocidad de la luz pueden eliminarse mediante transformaciones de coordenadas y redefiniciones de campo adecuadas, aunque las violaciones de Lorentz correspondientes no pueden eliminarse, porque tales redefiniciones solo transfieren esas violaciones del sector de fotones al sector de materia de PYME. [8] Mientras que los resonadores ópticos simétricos ordinarios son adecuados para probar efectos de paridad par y proporcionan sólo pequeñas restricciones a los efectos de paridad impar, también se han construido resonadores asimétricos para la detección de efectos de paridad impar. [16] Para conocer coeficientes adicionales en el sector de fotones que conducen a la birrefringencia de la luz en el vacío, que no pueden redefinirse como los otros efectos de los fotones, consulte § Birrefringencia en vacío .
Bocquet et al. realizaron otro tipo de prueba de la isotropía unidireccional relacionada de la velocidad de la luz en combinación con el sector de electrones del SME . (2010). [17] Buscaron fluctuaciones en el impulso 3 de los fotones durante la rotación de la Tierra, midiendo la dispersión Compton de electrones ultrarelativistas en fotones láser monocromáticos en el marco de la radiación cósmica de fondo de microondas , como lo sugirieron originalmente Vahe Gurzadyan y Amur Margarian [ 18] (para obtener detalles sobre el método y análisis 'Compton Edge', consulte la discusión [19], por ejemplo, [20] ).
Sistema solar
Además de las pruebas terrestres, también se han realizado pruebas astrométricas utilizando Lunar Laser Ranging (LLR), es decir, enviando señales láser de la Tierra a la Luna y viceversa. Se utilizan normalmente para probar la relatividad general y se evalúan mediante el formalismo posnewtoniano parametrizado . [44] Sin embargo, dado que estas mediciones se basan en el supuesto de que la velocidad de la luz es constante, también se pueden utilizar como pruebas de relatividad especial analizando la distancia potencial y las oscilaciones orbitales. Por ejemplo, Zoltán Lajos Bay y White (1981) demostraron los fundamentos empíricos del grupo de Lorentz y, por tanto, de la relatividad especial analizando los datos del radar planetario y del LLR. [45]
Además de los experimentos terrestres de Kennedy-Thorndike mencionados anteriormente, Müller & Soffel (1995) [46] y Müller et al. (1999) [47] probaron el parámetro de dependencia de la velocidad RMS buscando oscilaciones de distancia anómalas utilizando LLR. Dado que la dilatación del tiempo ya está confirmada con alta precisión, un resultado positivo demostraría que la velocidad de la luz depende de la velocidad del observador y la contracción de la longitud depende de la dirección (como en los otros experimentos de Kennedy-Thorndike). Sin embargo, no se han observado oscilaciones anómalas en la distancia, con un límite de dependencia de la velocidad RMS de , [47] comparable al de Hils y Hall (1990, ver tabla arriba a la derecha).
Dispersión al vacío
Otro efecto a menudo discutido en relación con la gravedad cuántica (QG) es la posibilidad de dispersión de la luz en el vacío ( es decir, la dependencia de la velocidad de la luz de la energía de los fotones), debido a las relaciones de dispersión que violan las relaciones de dispersión de Lorentz . Este efecto debería ser fuerte en niveles de energía comparables o superiores a la energía de Planck GeV, mientras que sería extraordinariamente débil en energías accesibles en el laboratorio u observadas en objetos astrofísicos. Para intentar observar una débil dependencia de la velocidad con respecto a la energía, se ha examinado en muchos experimentos la luz procedente de fuentes astrofísicas distantes, como explosiones de rayos gamma y galaxias distantes. Especialmente el grupo Fermi-LAT pudo demostrar que en el sector de los fotones, incluso más allá de la energía de Planck, no se produce ninguna dependencia energética y, por tanto, ninguna violación observable de Lorentz, [48] lo que excluye una gran clase de modelos de gravedad cuántica que violan Lorentz.
Birrefringencia al vacío
La violación de las relaciones de dispersión de Lorentz debido a la presencia de un espacio anisotrópico también podría conducir a violaciones de paridad y birrefringencia del vacío . Por ejemplo, el plano de polarización de los fotones podría girar debido a las diferencias de velocidad entre los fotones diestros y zurdos. En particular, se examinan los estallidos de rayos gamma, la radiación galáctica y la radiación cósmica de fondo de microondas . Se dan los coeficientes SME y para la violación de Lorentz, 3 y 5 denotan las dimensiones de masa empleadas. Esta última corresponde en la EFT de Meyers y Pospelov [11] por , siendo la masa de Planck. [63]
Velocidad máxima alcanzable
Restricciones de umbral
Las violaciones de Lorentz podrían dar lugar a diferencias entre la velocidad de la luz y la velocidad límite o máxima alcanzable (MAS) de cualquier partícula, mientras que en la relatividad especial las velocidades deberían ser las mismas. Una posibilidad es investigar efectos que de otro modo estarían prohibidos en el umbral de energía en relación con partículas con estructura de carga (protones, electrones, neutrinos). Esto se debe a que se supone que la relación de dispersión se modifica en Lorentz violando modelos EFT como el SME . Dependiendo de cuál de estas partículas viaje más rápido o más lento que la velocidad de la luz, pueden ocurrir efectos como los siguientes: [77] [78]
Decaimiento de fotones a velocidad superluminal. Estos (hipotéticos) fotones de alta energía se descompondrían rápidamente en otras partículas, lo que significa que la luz de alta energía no puede propagarse a largas distancias. Por tanto, la mera existencia de luz de alta energía procedente de fuentes astronómicas limita posibles desviaciones de la velocidad límite.
Radiación de Cherenkov al vacío a velocidad superluminal de cualquier partícula (protones, electrones, neutrinos) que tenga una estructura de carga. En este caso puede producirse una emisión de Bremsstrahlung hasta que la partícula cae por debajo del umbral y se alcanza de nuevo la velocidad subluminal. Esto es similar a la conocida radiación Cherenkov en los medios, en la que las partículas viajan más rápido que la velocidad de fase de la luz en ese medio. Las desviaciones de la velocidad límite pueden limitarse observando partículas de alta energía de fuentes astronómicas distantes que llegan a la Tierra.
La tasa de radiación sincrotrón podría modificarse si la velocidad límite entre las partículas cargadas y los fotones es diferente.
El límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin podría eludirse mediante la violación de los efectos de Lorentz. Sin embargo, mediciones recientes indican que este límite realmente existe.
Dado que las mediciones astronómicas también contienen supuestos adicionales – como las condiciones desconocidas en la emisión o a lo largo del camino recorrido por las partículas, o la naturaleza de las partículas –, las mediciones terrestres proporcionan resultados de mayor claridad, aunque los límites son más amplios (los siguientes límites describir las desviaciones máximas entre la velocidad de la luz y la velocidad límite de la materia):
Comparación de relojes y acoplamiento de giro.
Mediante este tipo de experimentos de espectroscopia , a veces llamados también experimentos de Hughes-Drever , se prueban las violaciones de la invariancia de Lorentz en las interacciones de protones y neutrones estudiando los niveles de energía de esos nucleones para encontrar anisotropías en sus frecuencias ("relojes") . Utilizando balanzas de torsión polarizadas por espín también se pueden examinar las anisotropías con respecto a los electrones . Los métodos utilizados se centran principalmente en interacciones de espín vectorial e interacciones tensoriales, [89] y a menudo se describen en términos SME pares/impares de CPT (en particular, parámetros de b μ y c μν ). [90] Estos experimentos son actualmente los más sensibles terrestres, porque la precisión con la que se pueden excluir las violaciones de Lorentz se encuentra en el nivel de 10 −33 GeV .
Estas pruebas pueden utilizarse para limitar las desviaciones entre la velocidad máxima alcanzable de la materia y la velocidad de la luz, [5] en particular con respecto a los parámetros de c μν que también se utilizan en las evaluaciones de los efectos de umbral mencionados anteriormente. [81]
La precisión actual con la que se mide la dilatación del tiempo (utilizando la teoría de la prueba RMS) está en el nivel ~10 −8 . Se demostró que los experimentos del tipo Ives-Stilwell también son sensibles al coeficiente isotrópico de velocidad de la luz del SME, como se explicó anteriormente. [16] Chou et al. (2010) incluso lograron medir un cambio de frecuencia de ~10 −16 debido a la dilatación del tiempo, concretamente a velocidades cotidianas como 36 km/h. [105]
CPT y pruebas de antimateria.
Otra simetría fundamental de la naturaleza es la simetría CPT . Se demostró que las violaciones del CPT conducen a violaciones de Lorentz en la teoría cuántica de campos (aunque existen excepciones no locales). [110] [111] La simetría CPT requiere, por ejemplo, la igualdad de masa y la igualdad de tasas de desintegración entre materia y antimateria .
Las pruebas modernas mediante las cuales se ha confirmado la simetría CPT se llevan a cabo principalmente en el sector del mesón neutro. En grandes aceleradores de partículas también se han realizado mediciones directas de las diferencias de masa entre los quarks top y antitop .
Utilizando SME también se pueden formular consecuencias adicionales de la violación del CPT en el sector del mesón neutral. [116] También se han realizado otras pruebas CPT relacionadas con las PYME:
Utilizando trampas de Penning en las que quedan atrapadas partículas cargadas individuales y sus contrapartes, Gabrielse et al. (1999) examinaron las frecuencias de ciclotrón en mediciones de protón- antiprotón y no pudieron encontrar ninguna desviación hasta 9·10 −11 . [132]
Hans Dehmelt et al. Probó la frecuencia de anomalía, que juega un papel fundamental en la medición de la relación giromagnética del electrón . Buscaron variaciones siderales y también diferencias entre electrones y positrones. Al final no encontraron desviaciones, estableciendo así límites de 10 −24 GeV. [133]
Hughes y cols. (2001) examinaron muones en busca de señales siderales en el espectro de muones y no encontraron ninguna violación de Lorentz hasta 10 −23 GeV. [134]
La colaboración "Muon g-2" del Laboratorio Nacional de Brookhaven buscó desviaciones en la frecuencia de anomalías de muones y antimuones, y variaciones siderales teniendo en cuenta la orientación de la Tierra. Tampoco aquí se pudieron encontrar violaciones de Lorentz, con una precisión de 10 −24 GeV. [135]
Otras partículas e interacciones.
Se han examinado partículas de tercera generación en busca de posibles violaciones de Lorentz utilizando SME. Por ejemplo, Altschul (2007) puso límites superiores a la violación de Lorentz de la tau de 10 −8 , al buscar una absorción anómala de radiación astrofísica de alta energía. [136] En el experimento BaBar (2007), [117] el experimento D0 (2015), [114] y el experimento LHCb (2016), [112] se han realizado búsquedas de variaciones siderales durante la rotación de la Tierra utilizando mesones B (por lo tanto quarks inferiores ) y sus antipartículas. No se encontraron señales que violaran Lorentz y CPT con límites superiores en el rango 10 −15 − 10 −14 GeV. También se examinaron pares de quarks superiores en el experimento D0 (2012). Demostraron que la producción de la sección transversal de estos pares no depende del tiempo sidéreo durante la rotación de la Tierra. [137]
Charneski et al . han dado los límites de violación de Lorentz en la dispersión de Bhabha . (2012). [138] Demostraron que las secciones transversales diferenciales para los acoplamientos vectoriales y axiales en QED se vuelven dependientes de la dirección en presencia de una violación de Lorentz. No encontraron indicios de tal efecto, y establecieron límites superiores a las violaciones de Lorentz de .
SME también es adecuado para analizar las violaciones de Lorentz en el sector gravitacional. Bailey y Kostelecky (2006) limitaron las violaciones de Lorentz analizando los desplazamientos del perihelio de Mercurio y la Tierra, y en relación con la precesión del giro solar. [139] Battat y otros . (2007) examinaron los datos de Lunar Laser Ranging y no encontraron perturbaciones oscilatorias en la órbita lunar. Su límite más fuerte para las PYME, excluyendo la violación de Lorentz, fue . [140] Iorio (2012) obtuvo límites en el nivel examinando los elementos orbitales keplerianos de una partícula de prueba sobre la que actúan aceleraciones gravitomagnéticas que violan Lorentz . [141] Xie (2012) analizó el avance del periastrón de púlsares binarios , estableciendo límites a la violación de Lorentz en el nivel. [142]
Pruebas de neutrinos
Oscilaciones de neutrinos
Aunque las oscilaciones de neutrinos se han confirmado experimentalmente, los fundamentos teóricos siguen siendo controvertidos, como se puede comprobar en la discusión relacionada con los neutrinos estériles . Esto hace que las predicciones de posibles violaciones de Lorentz sean muy complicadas. Generalmente se supone que las oscilaciones de neutrinos requieren una determinada masa finita. Sin embargo, las oscilaciones también podrían ocurrir como consecuencia de las violaciones de Lorentz, por lo que se especula sobre cuánto contribuyen esas violaciones a la masa de los neutrinos. [143]
Además, se han publicado una serie de investigaciones en las que se comprobó una dependencia sideral de la aparición de oscilaciones de neutrinos, que podrían surgir cuando existiera un campo de fondo preferido. Se han puesto a prueba esto, posibles violaciones del CPT y otros coeficientes de violaciones de Lorentz en el marco de las PYME. Aquí se establecen algunos de los límites de GeV alcanzados para la validez de la invariancia de Lorentz:
velocidad del neutrino
Desde el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos, se supone que su velocidad es ligeramente inferior a la velocidad de la luz. Las mediciones directas de velocidad indicaron un límite superior para las diferencias de velocidad relativa entre la luz y los neutrinos , ver mediciones de velocidad de neutrinos .
También se pueden lograr restricciones indirectas sobre la velocidad de los neutrinos, sobre la base de teorías de campo efectivas como SME, buscando efectos de umbral como la radiación de vacío Cherenkov. Por ejemplo, los neutrinos deberían presentar Bremsstrahlung en forma de producción de pares electrón-positrón . [151] Otra posibilidad en el mismo marco es la investigación de la desintegración de piones en muones y neutrinos. Los neutrinos superluminales retrasarían considerablemente esos procesos de desintegración. La ausencia de esos efectos indica límites estrictos para las diferencias de velocidad entre la luz y los neutrinos. [152]
También se pueden limitar las diferencias de velocidad entre los tipos de neutrinos. Una comparación entre neutrinos muónicos y electrónicos realizada por Coleman y Glashow (1998) arrojó un resultado negativo, con límites <6 × 10−22 . [9]
Informes de presuntas violaciones de Lorentz
Informes abiertos
LSND, MiniBooNE
En 2001, el experimento LSND observó un exceso de 3,8σ de interacciones antineutrinos en las oscilaciones de neutrinos, lo que contradice el modelo estándar. [160] Los primeros resultados del experimento MiniBooNE más reciente parecieron excluir estos datos por encima de una escala de energía de 450 MeV, pero habían verificado las interacciones de neutrinos, no las de antineutrinos. [161] En 2008, sin embargo, informaron de un exceso de eventos de neutrinos similares a los electrones entre 200 y 475 MeV. [162] Y en 2010, cuando se realizó con antineutrinos (como en LSND), el resultado estuvo de acuerdo con el resultado de LSND, es decir, se observó un exceso en la escala de energía de 450 a 1250 MeV. [163] [164] Si esas anomalías pueden explicarse por neutrinos estériles , o si indican violaciones de Lorentz, todavía se discute y está sujeto a futuras investigaciones teóricas y experimentales. [165]
Informes resueltos
En 2011, la colaboración OPERA publicó (en una preimpresión de arXiv no revisada por pares ) los resultados de las mediciones de neutrinos, según las cuales los neutrinos viajaban ligeramente más rápido que la luz . [166] Los neutrinos aparentemente llegaron temprano aproximadamente 60 ns. La desviación estándar fue de 6σ, claramente más allá del límite de 5σ necesario para un resultado significativo. Sin embargo, en 2012 se comprobó que este resultado se debía a errores de medición. El resultado fue consistente con la velocidad de la luz; [167] ver Anomalía de neutrinos más rápidos que la luz .
En 2010, MINOS informó diferencias entre la desaparición (y por tanto las masas) de neutrinos y antineutrinos en el nivel 2,3 sigma. Esto violaría la simetría CPT y la simetría de Lorentz. [168] [169] [170] Sin embargo, en 2011 MINOS actualizó sus resultados de antineutrinos; Después de evaluar datos adicionales, informaron que la diferencia no es tan grande como se pensaba inicialmente. [171] En 2012, publicaron un artículo en el que informaron que la diferencia ahora se ha eliminado. [172]
En 2007, la colaboración MAGIC publicó un artículo en el que afirmaba una posible dependencia energética de la velocidad de los fotones de la galaxia Markarian 501 . Admitieron que también un posible efecto de emisión dependiente de la energía podría haber causado este resultado. [52] [173]
Sin embargo, el resultado MAGIC fue reemplazado por mediciones sustancialmente más precisas del grupo Fermi-LAT, que no pudo encontrar ningún efecto incluso más allá de la energía de Planck . [48] Para más detalles, consulte la sección Dispersión.
En 1997, Nodland y Ralston afirmaron haber encontrado una rotación del plano de polarización de la luz procedente de radiogalaxias distantes . Esto indicaría una anisotropía del espacio. [174] [175] [176]
Esto atrajo cierto interés en los medios de comunicación. Sin embargo, inmediatamente surgieron algunas críticas que cuestionaban la interpretación de los datos y aludían a errores en la publicación. [177] [178] [179] [180] [181] [182] [183]
Estudios más recientes no han encontrado ninguna evidencia de este efecto (consulte la sección sobre Birrefringencia).
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enlaces externos
Kostelecký: Antecedentes sobre Lorentz y la violación del CPT
Roberts, Schleif (2006); Preguntas frecuentes sobre la relatividad: ¿Cuál es la base experimental de la relatividad especial?