自然界中的一种基本对称，通过了最严格的检验

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上周，我们在《来自40亿光年外的高能“幽灵粒子”》一文中报道了近期天文学的一个重大突破。来自南极洲的冰立方（IceCube）首次追踪到了“高能中微子”的来源，破解了困扰天文学家一个世纪之久的谜团。而在几天后的另一篇发表在《自然-物理》的论文中，IceCube团队检验了自然界中的一种非常重要的基本对称：洛伦兹对称。爱因斯坦的理论再次被证明是正确的。

科学是建立在自然定律对任何进行实验的人来说都是一样的这一前提之上的。这对于坐在家中沙发上的人来说，似乎是显而易见的，但对于我们研究的许多在空间和物质中快速移动的物体——无论是大的还是小的——而言，情况可能并非如此。

科学家们称这一性质为洛伦兹对称——只要观察者之间保持恒定的运动，无论方向为何，物理定律都保持不变。洛伦兹对称是一种基本时空对称，它是粒子物理学的标准模型和广义相对论的基石。这种对称性的一个众所周知的结果便是，无论你是一个在太空中旅行的宇航员还是在血液里的分子，你所观察到的光速总是保持不变的。

物理学家试图将量子理论和引力理论统一到一个单一的框架中，许多这样的极高能理论（比如弦理论、非対易场论和超对称）都预言了在极端的尺度下，洛伦兹对称会被打破（或者说“洛伦兹破缺”）。过去，科学家在各种不同的现象（比如光子、带电轻子、核子和引力）中寻找洛伦兹破缺的证据，但都没有确定的答案。物理学家相信，如果洛伦兹破缺存在，那么我们或许能够在已知宇宙中最轻的粒子——中微子身上看到。任何能够确认洛伦兹破缺的证据都将指向一个爱因斯坦的理论无法解释的新物理。

○ 对中微子（ν）的研究可以更好的帮助我们理解物质的起源、基本力的统一和黑洞的形成。| 图片来源：DUNE

科学家利用在南极冰盖之下的冰立方（IceCube）中微子天文台，在中微子身上寻找洛伦兹破缺的证据。IceCube实验的最新结果表明，中微子的行为与爱因斯坦的理论所预期的相符。

自中微子被提出来时，它在过去几十年中给我们带来了许多的惊喜。其中一个有趣的问题是，中微子究竟是像光子一样没有质量，还是具有非常微小的质量呢？直到中微子振荡（如下图）的发现，才最终确认了这种幽灵般的粒子是有质量的，但这同时也产生了更多的谜题等待被解决。

○ 已知的中微子有三种：电子(e)中微子、μ子中微子和τ子中微子。中微子在传播的途中会互相转变类型，这种转变过程叫做“中微子振荡”。

在一个洛伦兹对称可以被打破的宇宙中，比如在一个引力可以被量子理论解释的宇宙中，中微子从一种类型（或者说“味”）转变成另一种类型时，跟标准中微子振荡会有所偏离。通常，中微子振荡的方式取决于中微子的质量或者它传播的距离，但当中微子与洛伦兹破缺场（这是一种弥漫在空间中的假想的场）相互作用时，会导致中微子振荡模式的显著变化。

○ 位于南极的IceCube天文台肩负中探索宇宙中最神秘的粒子之一——中微子。| 图片来源：Martin Wolf, IceCube/NSF

IceCbue中微子天文台的任务之一便是在中微子身上寻找洛伦兹破缺的证据。当穿行在太空和地球的中微子到达IceCube时，它们会与冰相互作用。这些作用会产生μ子——一种性质与电子一样，但却重的多的带电粒子。μ子在冰中穿行时会释放出光，产生可以穿过整个探测器的长轨迹。根据记录到的光，科学家可以跟踪轨迹并估算μ子的能量，利用这个能量，科学家可以反过来计算原始中微子的能量以及预期的振荡。

IceCube的研究人员决定用在地球大气层上产生的最高能量的中微子来寻找洛伦兹破缺的证据。

这项工作的主要研究人员之一Teppei Katori解释道：“中微子振荡就是一个天然的干涉仪。用IceCube观测到的中微子振荡是世界上最大的干涉仪，用以寻找物理学中最微小的效应。”

在传奇的迈克尔逊和莫雷实验中，他们运用干涉仪测量了光的速度，并证明了空间中并没有所谓的以太。爱因斯坦提出了一个更好的理论来理解空间的本质，从那时起，我们将空间和时间当作是一个四维时空连续。而此次研究人员希望运用中微子振荡这个干涉仪来研究基本的时空属性。

○ 在地球大气产生的μ子中微子，被南极的IceCube探测到。一个潜在的信号是μ子中微子显示出的异常消失，这很可能是由假想存在于空间中的洛伦兹破缺场引起的。这个效应可以是方向性的（箭头），但在这个分析中研究人员检验的是各向同性的部分。| 图片来源：Martin Wolf, IceCube/NSF

IceCube团队分析了两年中收集到的数据，包含了超过35000个的μ子中微子和探测器间的相互作用。如果存在洛伦兹破缺场，研究人员推断，来自一个特定方向到达探测器的中微子会产生一个异常的振荡模式。这种异常振荡模式会对应于一个相似的异常μ子能量谱。

研究人员计算了，如果洛伦兹破缺存在，他们预期看到的能量谱的偏差，并将该光谱与在IceCube观测到的实际能量光谱（那些产生于地球大气层的最高能中微子）比较。

研究人员Carlos Argüelles说：“我们寻找的是沿着穿越大部分地球的方向的失踪μ子中微子。这种洛伦兹破缺引起的消失应该会随着能量的增高而增多。”

如果洛伦兹破缺存在，物理学家相信它应该对能量极高的物体有更显而易见的影响。研究人员分析的来自大气层的中微子的能量比任何实验都要高。

其结果是？研究人员并没有在高能中微子身上看到任何洛伦兹破缺的证据。但他们对中微子可能受到洛伦兹破缺场的影响强度设置了迄今为止最严格的限制（如下图）。

○ 横轴（ρ₆）代表了洛伦兹破缺的强度。图中白色区域是洛伦兹破缺被允许的区域；最佳的拟合点用黄色叉表示；蓝色和红色区域是被排除的区域。| 图片来源：IceCube Collaboration

研究人员打算在那些剧烈的天体物理现象中产生的更高能中微子中寻找洛伦兹破缺。IceCube的确记录了来自这些现象的中微子，但科学家目前还无法完全地理解它们的行为。

研究人员打算在那些剧烈的天体物理现象中产生的更高能中微子中寻找洛伦兹破缺。IceCube的确记录了这些天体物理的中微子，但科学家目前还无法完全地理解它们的行为。同时，在不久的将来，以水为基础的中微子望远镜（比如KM3NeT）以及升级后的冰立方将会观测到更多的天体物理的中微子，伴随着更高的统计和灵敏度的提升，这些实验将更有机会发现洛伦兹破缺。

但至少目前为止，爱因斯坦的理论再次通过了检验。这是在近期内爱因斯坦的理论第三次通过最严格的检验。前两次分别为：《在另一个星系，验证爱因斯坦的理论》和《一个难以被超越的理论》。

（此外，在另一项研究中，科学家也找到了爱因斯坦在1911年提出的关于热量是如何在固体中移动的理论的证据[4]。)

参考来源：

[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

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