Tim Dodd ist der alltägliche Astronaut: Eine Ursprungsgeschichte

Einmal mehr haben Wissenschaftler gezeigt, dass Albert Einsteins Theorie der speziellen Relativitätstheorie richtig ist - dieses Mal dank eines Teilchendetektors, der tief unter der Antarktis vergraben ist.

Wissenschaftler des 1-Gigaton-Eiskuben-Neutrino-Observatoriums untersuchten subatomare Teilchen, die als Neutrinos bezeichnet werden: schwer fassbare, geladene subatomare Teilchen, die so klein wie Elektronen sind. Die Forscher fragten sich, ob diese winzigen, hochenergetischen Teilchen von dem Verhalten abweichen würden, das von der Theorie der speziellen Relativitätstheorie vorhergesagt wurde. Insbesondere testeten sie die Lorentz-Symmetrie - das Prinzip, dass die Gesetze der Physik gleich sind, egal, ob Sie als Astronaut mit einer Geschwindigkeit von einer Million Stundenkilometern durch den Weltraum sausen oder mit einem Bruchteil dieser Geschwindigkeit auf der Erde entlangschleichen. [8 Möglichkeiten, Einsteins Relativitätstheorie im wirklichen Leben zu sehen]

Neutrinos sind überall, reisen aber alleine durch das Universum und interagieren selten mit anderer Materie. Wenn Neutrinos durch den Weltraum fliegen, oszillieren sie zwischen den drei verschiedenen Zuständen, die die Physiker Aromen nennen: Elektron, Myon und Tau. Wenn Neutrinos mit dem Eis unter dem Observatorium interagieren, verwandeln sie sich in Myonen, die geladen sind und dann vom Detektor identifiziert werden können.

Wenn das Prinzip der Lorentz-Symmetrie gilt, sollte ein Neutrino einer gegebenen Masse mit einer vorhersagbaren Geschwindigkeit oszillieren - was bedeutet, dass ein Neutrino eine bestimmte Strecke zurücklegen sollte, bevor es sich in ein Myon umwandelt. Jede Abweichung in dieser Rate könnte ein Zeichen dafür sein, dass unser Universum nicht so funktioniert, wie Einstein es vorhergesagt hat.

Dies bedeutet, dass Neutrinos "empfindliche Sonden für die Betrachtung von Raum-Zeit-Effekten" sind, wie etwa die Verletzung von Lorentz, sagte der Hauptautor Carlos Argüelles, Teilchenphysiker am Massachusetts Institute of Technology (MIT).

"Theorien können zusammenbrechen, oder sie können neue Effekte haben, wenn Sie in neue Territorien schauen", sagte Argüelles gegenüber Live Science.

Wissenschaftler haben in zahlreichen Fällen nach Spuren von Lorentz-Verletzungen gesucht, von Photonen bis zur Gravitation, sind aber immer mit leeren Händen aufgetaucht. Laut Argüelles könnten die Wissenschaftler mit Neutrinos "dieses neue hochenergetische Regime erkunden, das bisher unerforscht war".

Argüelles und seine Kollegen haben die vom IceCube Observatory gesammelten Neutrinodaten aus zwei Jahren untersucht. Ihre Suche ergab keine Hinweise auf eine Lorentz-Verletzung im Bereich der hochenergetischen Neutrinos. "Dies schließt das Buch über die Möglichkeit der Lorentz-Verletzung für eine Reihe von Hochenergie-Neutrinos für eine sehr lange Zeit", sagte Co-Autorin Janet Conrad, eine Physikerin am MIT, in einer Erklärung. [Einstein Quiz: Teste dein Wissen über das Physik-Genie]

Dieses Ergebnis erlaubte den Forschern zu berechnen, dass alles, was mit Neutrinos auf einem Energieniveau von mehr als 10 auf minus 36 Gigaelektronenvolt (GeV) quadriert, reagiert, den normalen Regeln für Neutrinooszillationen zu folgen scheint - was bedeutet, dass die Lorentz-Symmetrie immer noch wie erwartet funktioniert . Um dies in Perspektive zu setzen, interagieren infinitesimal kleine Neutrinos mit Materie auf einem Energieniveau von etwa 10, das auf minus 5 GeV im Quadrat erhöht ist, was immer noch unglaublich schwach ist, aber 10 Billionen mal größer als dieses neue Limit.

"Wir konnten die bisher strengste Grenze dafür festlegen, wie stark Neutrinos von einem Lorentz-verletzenden Feld betroffen sein können", sagte Conrad.

Neutrinos waren noch nicht entdeckt worden, als Einstein starb, aber seine Theorie sagt immer noch ihr Verhalten voraus, "was erstaunlich ist", sagte Argüelles. "Bis jetzt haben wir keine Beweise gefunden, dass es ein Problem mit Einsteins Theorie der Raum-Zeit-Relativität gibt", sagte er.

Nichtsdestotrotz planen Argüelles und seine Kollegen, weiter höhere Energiephänomene für Fälle von Lorentz-Verletzung zu untersuchen. "Wenn Sie neue Bedingungen erkunden, werden Sie vielleicht feststellen, dass Dinge, die nicht wichtig waren, jetzt wichtig sind", sagte er.

Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse heute (16. Juli) in der Zeitschrift Nature Physics.