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Búsquedas modernas de violación de Lorentz

Las mediciones de la luz procedente de los estallidos de rayos gamma muestran que la velocidad de la luz no varía con la energía.

Las búsquedas modernas de violaciones de Lorentz son estudios científicos que buscan desviaciones de la invariancia o simetría de Lorentz , un conjunto de marcos fundamentales que sustentan la ciencia moderna y la física fundamental en particular. Estos estudios intentan determinar si podrían existir violaciones o excepciones para leyes físicas bien conocidas como la relatividad especial y la simetría CPT , como predicen algunas variaciones de la gravedad cuántica , la teoría de cuerdas y algunas alternativas a la relatividad general .

Las violaciones de Lorentz se refieren a las predicciones fundamentales de la relatividad especial, como el principio de relatividad , la constancia de la velocidad de la luz en todos los marcos de referencia inerciales y la dilatación del tiempo , así como las predicciones del modelo estándar de física de partículas . Para evaluar y predecir posibles violaciones, se han inventado teorías de prueba de la relatividad especial y teorías de campo efectivo (EFT) como la Extensión del Modelo Estándar (SME). Estos modelos introducen violaciones de Lorentz y CPT a través de la ruptura espontánea de simetría causada por campos de fondo hipotéticos, lo que resulta en algún tipo de efectos de marco preferidos . Esto podría conducir, por ejemplo, a modificaciones de la relación de dispersión , causando diferencias entre la velocidad máxima alcanzable de la materia y la velocidad de la luz.

Se han llevado a cabo experimentos tanto terrestres como astronómicos y se han introducido nuevas técnicas experimentales. Hasta ahora no se han medido violaciones de Lorentz y las excepciones en las que se informaron resultados positivos han sido refutadas o carecen de confirmaciones adicionales. Para discusiones sobre muchos experimentos, véase Mattingly (2005). [1] Para una lista detallada de los resultados de búsquedas experimentales recientes, véase Kostelecký y Russell (2008–2013). [2] Para una descripción general reciente y la historia de los modelos que violan Lorentz, véase Liberati (2013). [3]

Evaluación de las violaciones de la invariancia de Lorentz

Entre los años 1960 y 1990 se publicaron los primeros modelos que evaluaban la posibilidad de ligeras desviaciones de la invariancia de Lorentz. [3] Además, se han desarrollado una serie de teorías de prueba de la relatividad especial y teorías de campos efectivos (EFT) para la evaluación y valoración de muchos experimentos, entre ellos:

Sin embargo, la Extensión del Modelo Estándar (SME) en la que los efectos violadores de Lorentz se introducen por ruptura espontánea de simetría , se utiliza para la mayoría de los análisis modernos de resultados experimentales. Fue introducida por Kostelecký y colegas en 1997 y los años siguientes, conteniendo todos los posibles coeficientes violadores de Lorentz y CPT que no violan la simetría de calibre . [6] [7] Incluye no solo 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 de ella, incluyen los modelos más antiguos RMS y c 2 , [8] el modelo Coleman - Glashow que limita los coeficientes SME a operadores de dimensión 4 e 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 SME. [12]

Velocidad de la luz

Terrestre

Se han llevado a cabo 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 se dan, por ejemplo, mediante la teoría de la prueba de Robertson-Mansouri-Sexl (RMS). Esto permite distinguir entre los parámetros relevantes dependientes de la orientación y la velocidad. En variantes modernas del experimento de Michelson-Morley , se analiza la dependencia de la velocidad de la luz con respecto a la orientación del aparato y la relación entre las longitudes longitudinal y transversal de los cuerpos en movimiento. También se han llevado a cabo variantes modernas del experimento de Kennedy-Thorndike , mediante el cual se analiza la dependencia de la velocidad de la luz con respecto a 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, está en el nivel de 10 −17 . Esto está relacionado con la velocidad relativa entre el Sistema Solar y el resto del marco de la radiación de fondo cósmico 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 un mayor número de coeficientes de isotropía en el sector de fotones. Utiliza los coeficientes de paridad par e impar (matrices 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 haces que se propagan en sentido contrario 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 se pueden eliminar mediante transformaciones de coordenadas adecuadas y redefiniciones de campo, aunque las violaciones de Lorentz correspondientes no se pueden eliminar, porque tales redefiniciones solo transfieren esas violaciones del sector de fotones al sector de materia de SME. [8] Si bien los resonadores ópticos simétricos ordinarios son adecuados para probar efectos de paridad par y brindan solo pequeñas restricciones sobre los efectos de paridad impar, también se han construido resonadores asimétricos para la detección de efectos de paridad impar. [16] Para coeficientes adicionales en el sector de fotones que conducen a la birrefringencia de la luz en el vacío, que no se puede redefinir como los otros efectos de fotones, consulte § Birrefringencia en el vacío .

Otro tipo de prueba de la isotropía de la velocidad de la luz unidireccional relacionada en combinación con el sector electrónico del SME fue realizada por Bocquet et al. (2010). [17] Buscaron fluctuaciones en el momento 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 de fondo de microondas cósmico , como sugirieron originalmente Vahe Gurzadyan y Amur Margarian [18] (para detalles sobre ese método y análisis de 'Compton Edge', consulte [19] discusión, por ejemplo [20] ).

Sistema solar

Además de las pruebas terrestres, también se han llevado a cabo pruebas astrométricas utilizando Lunar Laser Ranging (LLR), es decir , enviando señales láser desde la Tierra a la Luna y viceversa. Se utilizan habitualmente para probar la relatividad general y se evalúan utilizando el formalismo post-newtoniano 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 la relatividad especial mediante el análisis de la distancia potencial y las oscilaciones de la órbita. Por ejemplo, Zoltán Lajos Bay y White (1981) demostraron los fundamentos empíricos del grupo de Lorentz y, por tanto, de la relatividad especial mediante el análisis de los datos del radar planetario y del LLR. [45]

Además de los experimentos terrestres de Kennedy-Thorndike mencionados anteriormente, Müller y Soffel (1995) [46] y Müller et al. (1999) [47] probaron el parámetro de dependencia de la velocidad RMS mediante la búsqueda de oscilaciones de distancia anómalas utilizando LLR. Dado que la dilatación del tiempo ya está confirmada con alta precisión, un resultado positivo probaría 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 de distancia anómalas, con un límite de dependencia de la velocidad RMS de , [47] comparable al de Hils y Hall (1990, consulte la tabla anterior a la derecha).

Dispersión al vacío

Otro efecto que se discute a menudo 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 con la energía del fotón), debido a las relaciones de dispersión que violan Lorentz . Este efecto debería ser fuerte en niveles de energía comparables a, o más allá de la energía de Planck GeV, mientras que es extraordinariamente débil en energías accesibles en el laboratorio u observadas en objetos astrofísicos. En un intento de observar una dependencia débil de la velocidad con la energía, la luz de fuentes astrofísicas distantes como los estallidos de rayos gamma y las galaxias distantes se ha examinado en muchos experimentos. Especialmente el grupo Fermi-LAT pudo demostrar que no ocurre dependencia de la energía y, por lo tanto, no ocurre violación de Lorentz observable en el sector de los fotones incluso más allá de la energía de Planck, [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 por parte de Lorentz debido a la presencia de un espacio anisotrópico también podría conducir a la birrefringencia en el vacío y a violaciones de paridad . Por ejemplo, el plano de polarización de los fotones podría rotar debido a las diferencias de velocidad entre los fotones zurdos y diestros. En particular, se examinan los estallidos de rayos gamma, la radiación galáctica y la radiación de fondo cósmico de microondas . Se dan los coeficientes SME y para la violación de Lorentz, 3 y 5 denotan las dimensiones de masa empleadas. La última corresponde a 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 llevar 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 otra manera estarían prohibidos en la energía umbral en relación con partículas que tienen una estructura de carga (protones, electrones, neutrinos). Esto se debe a que se supone que la relación de dispersión se modifica en los modelos EFT que violan Lorentz, como 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]

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 describen desviaciones máximas entre la velocidad de la luz y la velocidad límite de la materia):

Comparación de relojes y acoplamiento de espín

Mediante este tipo de experimentos espectroscópicos –a veces llamados también experimentos Hughes–Drever– se comprueban 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 balances de torsión con polarización de espín , también se pueden examinar las anisotropías con respecto a los electrones . Los métodos utilizados se centran principalmente en las interacciones de espín vectorial y las interacciones tensoriales, [89] y a menudo se describen en términos SME impar/par CPT (en particular, parámetros de b μ y c μν ). [90] Estos experimentos son actualmente los más sensibles a nivel terrestre, porque la precisión con la que se pueden excluir las violaciones de Lorentz se encuentra en el nivel de 10 −33 GeV .

Estas pruebas se pueden utilizar 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]

Dilatación del tiempo

Los experimentos clásicos de dilatación del tiempo , como el experimento de Ives-Stilwell , los experimentos con rotor de Moessbauer y la dilatación del tiempo de partículas en movimiento, se han mejorado con equipos modernizados. Por ejemplo, el desplazamiento Doppler de los iones de litio que viajan a altas velocidades se evalúa mediante espectroscopia saturada en anillos de almacenamiento de iones pesados . Para obtener más información, consulte Experimentos modernos de Ives-Stilwell .

La precisión actual con la que se mide la dilatación del tiempo (utilizando la teoría de prueba RMS) se encuentra en el nivel de ~10 −8 . Se demostró que los experimentos de tipo Ives-Stilwell también son sensibles al coeficiente de velocidad de la luz isotrópica del SME, como se presentó anteriormente. [16] Chou et al. (2010) incluso lograron medir un cambio de frecuencia de ~10 −16 debido a la dilatación del tiempo, es decir, a velocidades cotidianas como 36 km/h. [105]

Pruebas de CPT y antimateria

Otra simetría fundamental de la naturaleza es la simetría CPT . Se ha demostrado que las violaciones de la 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 masas y la igualdad de tasas de desintegración entre materia y antimateria .

Las pruebas modernas que han confirmado la simetría CPT se llevan a cabo principalmente en el sector de mesones neutros . En grandes aceleradores de partículas también se han llevado a cabo mediciones directas de las diferencias de masa entre quarks top y antiquarks top .

Utilizando SME, también se pueden formular consecuencias adicionales de la violación de CPT en el sector del mesón neutral. [116] También se han realizado otras pruebas CPT relacionadas con SME:

Otras partículas e interacciones

Las partículas de tercera generación se han examinado para posibles violaciones de Lorentz utilizando SME. Por ejemplo, Altschul (2007) colocó límites superiores en la violación de Lorentz de la tau de 10 −8 , mediante la búsqueda de 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 bottom ) y sus antipartículas. No se encontró ninguna señal de violación de Lorentz y CPT con límites superiores en el rango 10 −15 − 10 −14 GeV. También se han examinado pares de quarks top en el experimento D0 (2012). Demostraron que la producción de la sección transversal de estos pares no depende del tiempo sideral durante la rotación de la Tierra. [137]

Charneski et al . (2012) han proporcionado límites de violación de Lorentz en la dispersión Bhabha . [138] Demostraron que las secciones transversales diferenciales para los acoplamientos vectoriales y axiales en QED se vuelven dependientes de la dirección en presencia de violación de Lorentz. No encontraron ninguna indicación de tal efecto, colocando límites superiores en las violaciones de Lorentz de .

Gravitación

También se analizó la influencia de la violación de Lorentz en los campos gravitacionales y, por lo tanto, en la relatividad general . El marco estándar para tales investigaciones es el formalismo post-newtoniano parametrizado (PPN), en el que los efectos de marco preferidos que violan Lorentz se describen mediante los parámetros (véase el artículo de PPN sobre los límites observacionales de estos parámetros). Las violaciones de Lorentz también se discuten en relación con alternativas a la relatividad general, como la gravedad cuántica de bucles , la gravedad emergente , la teoría del éter de Einstein o la gravedad de Hořava-Lifshitz .

También el SME es adecuado para analizar violaciones de Lorentz en el sector gravitacional. Bailey y Kostelecky (2006) restringieron las violaciones de Lorentz hasta analizando los desplazamientos del perihelio de Mercurio y la Tierra, y hasta en relación con la precesión del giro solar. [139] Battat et al . (2007) examinaron datos de medición de distancia láser lunar y no encontraron perturbaciones oscilatorias en la órbita lunar. Su límite SME más fuerte excluyendo la violación de Lorentz fue . [140] Iorio (2012) obtuvo límites en el nivel examinando elementos orbitales keplerianos de una partícula de prueba sobre la que actuaban aceleraciones gravitomagnéticas violadoras de Lorentz . [141] Xie (2012) analizó el avance del periastrón de púlsares binarios , estableciendo límites en la violación de Lorentz en el nivel. [142]

Pruebas de neutrinos

Oscilaciones de neutrinos

Aunque las oscilaciones de neutrinos han sido confirmadas experimentalmente, los fundamentos teóricos aún son controvertidos, como se puede ver en la discusión relacionada con los neutrinos estériles . Esto hace que las predicciones de posibles violaciones de Lorentz sean muy complicadas. Generalmente se asume que las oscilaciones de neutrinos requieren una cierta masa finita. Sin embargo, las oscilaciones también podrían ocurrir como consecuencia de violaciones de Lorentz, por lo que existen especulaciones sobre cuánto contribuyen esas violaciones a la masa de los neutrinos. [143]

Además, se han publicado una serie de investigaciones en las que se ha probado la dependencia sideral de la ocurrencia de oscilaciones de neutrinos, que podrían surgir cuando existiera un campo de fondo preferido. Se han probado esto, posibles violaciones de CPT y otros coeficientes de violaciones de Lorentz en el marco de SME. Aquí se indican algunos de los límites de GeV obtenidos para la validez de la invariancia de Lorentz:

Velocidad de los neutrinos

Desde el descubrimiento de las oscilaciones de los neutrinos, se supone que su velocidad es ligeramente inferior a la velocidad de la luz. Las mediciones directas de la velocidad indicaron un límite superior para las diferencias de velocidad relativa entre la luz y los neutrinos de , véase mediciones de la velocidad de los neutrinos .

También se pueden lograr restricciones indirectas sobre la velocidad de los neutrinos, sobre la base de teorías de campo efectivas como la SME, mediante la búsqueda de efectos de umbral como la radiación Cherenkov del vacío. Por ejemplo, los neutrinos deberían exhibir 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 superlumínicos 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]

Las diferencias de velocidad entre los sabores de neutrinos también pueden limitarse. 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 supuestas violaciones de Lorentz

Informes abiertos

LSND, MiniBooNE

En 2001, el experimento LSND observó un exceso de 3,8σ de interacciones de antineutrinos en oscilaciones de neutrinos, lo que contradice el modelo estándar. [160] Los primeros resultados del experimento más reciente MiniBooNE parecieron excluir estos datos por encima de una escala de energía de 450 MeV, pero habían comprobado las interacciones de neutrinos, no las de antineutrinos. [161] Sin embargo, en 2008 informaron de un exceso de eventos de neutrinos similares a electrones entre 200 y 475 MeV. [162] Y en 2010, cuando se llevó a cabo 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 mediante neutrinos estériles o si indican violaciones de Lorentz es algo que todavía se debate y es objeto de más 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 los cuales los neutrinos viajaban ligeramente más rápido que la luz . [166] Los neutrinos aparentemente llegaron antes, unos 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 descubrió que este resultado se debía a errores de medición. El resultado era consistente con la velocidad de la luz; [167] véase Anomalía de neutrinos más rápidos que la luz .

En 2010, MINOS informó de 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 sobre antineutrinos; tras evaluar datos adicionales, informó de que la diferencia no es tan grande como se pensaba inicialmente. [171] En 2012, publicó un artículo en el que informaba de que la diferencia se había eliminado. [172]

En 2007, la Colaboración MAGIC publicó un artículo en el que afirmaban que era posible que la velocidad de los fotones de la galaxia Markarian 501 dependiera de la energía . Admitieron que también un posible efecto de emisión dependiente de la energía podría haber causado este resultado. [52] [173] Sin embargo, el resultado de MAGIC fue reemplazado por las 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 & 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 aparecieron algunas críticas, que cuestionaban la interpretación de los datos, y que aludían a errores en la publicación. [177] [178] [179] [180] [181] [182] [183] ​​Estudios más recientes no han encontrado ninguna evidencia de este efecto (ver sección sobre Birrefringencia).

Véase también

Referencias

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