自然界中的一種基本對稱，通過了最嚴格的檢驗

科學是建立在自然定律對任何進行實驗的人來說都是一樣的這一前提之上的。這對於坐在家中沙發上的人來說，似乎是顯而易見的，但對於我們研究的許多在空間和物質中快速移動的物體——無論是大的還是小的——而言，情況可能並非如此。

科學家們稱這一性質為洛倫茲對稱——只要觀察者之間保持恆定的運動，無論方向為何，物理定律都保持不變。洛倫茲對稱是一種基本時空對稱，它是粒子物理學的標準模型和廣義相對論的基石。這種對稱性的一個眾所周知的結果便是，無論你是一個在太空中旅行的宇航員還是在血液里的分子，你所觀察到的光速總是保持不變的。

物理學家試圖將量子理論和引力理論統一到一個單一的框架中，許多這樣的極高能理論（比如弦理論、非対易場論和超對稱）都預言了在極端的尺度下，洛倫茲對稱會被打破（或者說「洛倫茲破缺」）。過去，科學家在各種不同的現象（比如光子、帶電輕子、核子和引力）中尋找洛倫茲破缺的證據，但都沒有確定的答案。物理學家相信，如果洛倫茲破缺存在，那麼我們或許能夠在已知宇宙中最輕的粒子——中微子身上看到。任何能夠確認洛倫茲破缺的證據都將指向一個愛因斯坦的理論無法解釋的新物理。

△ 對中微子（ν）的研究可以更好的幫助我們理解物質的起源、基本力的統一和黑洞的形成。| 圖片來源：DUNE

科學家利用在南極冰蓋之下的冰立方（IceCube）中微子天文台，在中微子身上尋找洛倫茲破缺的證據。IceCube實驗的最新結果表明，中微子的行為與愛因斯坦的理論所預期的相符。

自中微子被提出來時，它在過去幾十年中給我們帶來了許多的驚喜。其中一個有趣的問題是，中微子究竟是像光子一樣沒有質量，還是具有非常微小的質量呢？直到中微子振蕩（如下圖）的發現，才最終確認了這種幽靈般的粒子是有質量的，但這同時也產生了更多的謎題等待被解決。

△ 已知的中微子有三種：電子(e)中微子、μ子中微子和τ子中微子。中微子在傳播的途中會互相轉變類型，這種轉變過程叫做「中微子振蕩」。

在一個洛倫茲對稱可以被打破的宇宙中，比如在一個引力可以被量子理論解釋的宇宙中，中微子從一種類型（或者說「味」）轉變成另一種類型時，跟標準中微子振蕩會有所偏離。通常，中微子振蕩的方式取決於中微子的質量或者它傳播的距離，但當中微子與洛倫茲破缺場（這是一種瀰漫在空間中的假想的場）相互作用時，會導致中微子振蕩模式的顯著變化。

△ 位於南極的IceCube天文台肩負中探索宇宙中最神秘的粒子之一——中微子。| 圖片來源：Martin Wolf, IceCube/NSF

IceCbue中微子天文台的任務之一便是在中微子身上尋找洛倫茲破缺的證據。當穿行在太空和地球的中微子到達IceCube時，它們會與冰相互作用。這些作用會產生μ子——一種性質與電子一樣，但卻重的多的帶電粒子。μ子在冰中穿行時會釋放出光，產生可以穿過整個探測器的長軌跡。根據記錄到的光，科學家可以跟蹤軌跡並估算μ子的能量，利用這個能量，科學家可以反過來計算原始中微子的能量以及預期的振蕩。

IceCube的研究人員決定用在地球大氣層上產生的最高能量的中微子來尋找洛倫茲破缺的證據。

這項工作的主要研究人員之一Teppei Katori解釋道：「中微子振蕩就是一個天然的干涉儀。用IceCube觀測到的中微子振蕩是世界上最大的干涉儀，用以尋找物理學中最微小的效應。」

在傳奇的邁克爾遜和莫雷實驗中，他們運用干涉儀測量了光的速度，並證明了空間中並沒有所謂的以太。愛因斯坦提出了一個更好的理論來理解空間的本質，從那時起，我們將空間和時間當作是一個四維時空連續。而此次研究人員希望運用中微子振蕩這個干涉儀來研究基本的時空屬性。

△ 在地球大氣產生的μ子中微子，被南極的IceCube探測到。一個潛在的信號是μ子中微子顯示出的異常消失，這很可能是由假想存在於空間中的洛倫茲破缺場引起的。這個效應可以是方向性的（箭頭），但在這個分析中研究人員檢驗的是各向同性的部分。| 圖片來源：Martin Wolf, IceCube/NSF

IceCube團隊分析了兩年中收集到的數據，包含了超過35000個的μ子中微子和探測器間的相互作用。如果存在洛倫茲破缺場，研究人員推斷，來自一個特定方向到達探測器的中微子會產生一個異常的振蕩模式。這種異常振蕩模式會對應於一個相似的異常μ子能量譜。

研究人員計算了，如果洛倫茲破缺存在，他們預期看到的能量譜的偏差，並將該光譜與在IceCube觀測到的實際能量光譜（那些產生於地球大氣層的最高能中微子）比較。

研究人員Carlos Argüelles說：「我們尋找的是沿著穿越大部分地球的方向的失蹤μ子中微子。這種洛倫茲破缺引起的消失應該會隨著能量的增高而增多。」

如果洛倫茲破缺存在，物理學家相信它應該對能量極高的物體有更顯而易見的影響。研究人員分析的來自大氣層的中微子的能量比任何實驗都要高。

其結果是？研究人員並沒有在高能中微子身上看到任何洛倫茲破缺的證據。但他們對中微子可能受到洛倫茲破缺場的影響強度設置了迄今為止最嚴格的限制（如下圖）。

△ 橫軸（ρ?）代表了洛倫茲破缺的強度。圖中白色區域是洛倫茲破缺被允許的區域；最佳的擬合點用黃色叉表示；藍色和紅色區域是被排除的區域。| 圖片來源：IceCube Collaboration

研究人員打算在那些劇烈的天體物理現象中產生的更高能中微子中尋找洛倫茲破缺。IceCube的確記錄了來自這些現象的中微子，但科學家目前還無法完全地理解它們的行為。

研究人員打算在那些劇烈的天體物理現象中產生的更高能中微子中尋找洛倫茲破缺。IceCube的確記錄了這些天體物理的中微子，但科學家目前還無法完全地理解它們的行為。同時，在不久的將來，以水為基礎的中微子望遠鏡（比如KM3NeT）以及升級後的冰立方將會觀測到更多的天體物理的中微子，伴隨著更高的統計和靈敏度的提升，這些實驗將更有機會發現洛倫茲破缺。

但至少目前為止，愛因斯坦的理論再次通過了檢驗。這是在近期內愛因斯坦的理論第三次通過最嚴格的檢驗。前兩次分別為：《在另一個星系，驗證愛因斯坦的理論》和《一個難以被超越的理論》。

（此外，在另一項研究中，科學家也找到了愛因斯坦在1911年提出的關於熱量是如何在固體中移動的理論的證據[4]。)

參考來源：

[1] https://www.nature.com/articles/s41567-018-0172-2

[2] https://icecube.wisc.edu/news/view/588

[3] http://news.mit.edu/2018/new-study-high-energy-neutrinos-proves-einstein-right-0716

[4] http://science.sciencemag.org/content/360/6396/1455

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！