Moderne Suche nach Lorentz-Verletzung - Modern searches for Lorentz violation

Messungen an Licht von Gammablitzen zeigen, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht mit der Energie variiert

Moderne Tests der Lorentzinvarianz sind wissenschaftliche Studien , dass Look für Abweichungen von Lorentz - Invarianz oder Symmetrie , eine Reihe von grundlegenden Rahmenbedingungen dass underpin moderner Wissenschaft und Grunde Physik im Besonderen. Diese Studien versuchen zu bestimmen, ob Verletzungen oder Ausnahmen für bekannte physikalische Gesetze wie die spezielle Relativitätstheorie und die CPT-Symmetrie bestehen könnten , wie sie von einigen Variationen der Quantengravitation , der Stringtheorie und einigen Alternativen zur Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt werden .

Lorentz-Verletzungen betreffen die grundlegenden Vorhersagen der Speziellen Relativitätstheorie, wie das Relativitätsprinzip , die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in allen Inertialsystemen und die Zeitdilatation , sowie die Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik . Um mögliche Verletzungen zu beurteilen und vorherzusagen, wurden Testtheorien der speziellen Relativitätstheorie und effektive Feldtheorien (EFT) wie die Standard-Model Extension (SME) erfunden. Diese Modelle führen Lorentz- und CPT-Verletzungen durch spontane Symmetriebrechungen ein, die durch hypothetische Hintergrundfelder verursacht werden, was zu einer Art von bevorzugten Rahmeneffekten führt . Dies könnte zum Beispiel zu Veränderungen des Dispersionsverhältnisses führen , die Unterschiede zwischen der maximal erreichbaren Geschwindigkeit der Materie und der Lichtgeschwindigkeit verursachen.

Es wurden sowohl terrestrische als auch astronomische Experimente durchgeführt und neue experimentelle Techniken eingeführt. Bisher wurden keine Lorentz-Verstöße gemessen und Ausnahmen, in denen positive Ergebnisse gemeldet wurden, wurden widerlegt oder fehlen weitere Bestätigungen. Für Diskussionen vieler Experimente siehe Mattingly (2005). Für eine detaillierte Ergebnisliste neuerer experimenteller Recherchen siehe Kostelecký und Russell (2008–2013). Für einen aktuellen Überblick und die Geschichte von Lorentz-Verletzungsmodellen siehe Liberati (2013).

Bewertung von Verletzungen der Lorentz-Invarianz

Frühe Modelle, die die Möglichkeit geringfügiger Abweichungen von der Lorentz-Invarianz abschätzen, wurden zwischen den 1960er und 1990er Jahren veröffentlicht. Darüber hinaus wurde eine Reihe von Testtheorien der Speziellen Relativitätstheorie und Effektiven Feldtheorien (EFT) zur Auswertung und Bewertung vieler Experimente entwickelt, darunter:

• Der parametrisierte Post-Newton-Formalismus wird häufig als Testtheorie für die Allgemeine Relativitätstheorie und Alternativen zur Allgemeinen Relativitätstheorie verwendet und kann auch verwendet werden, um Lorentz-Verletzungen bevorzugter Rahmeneffekte zu beschreiben .
• Das Robertson-Mansouri-Sexl-Framework (RMS) enthält drei Parameter, die Abweichungen der Lichtgeschwindigkeit in Bezug auf einen bevorzugten Referenzrahmen anzeigen.
• Das c ² -Gerüst (ein Spezialfall des allgemeineren THεμ-Gerüsts) führt eine modifizierte Dispersionsrelation ein und beschreibt Lorentz-Verletzungen im Sinne einer Diskrepanz zwischen der Lichtgeschwindigkeit und der maximal erreichbaren Geschwindigkeit der Materie bei Vorliegen eines bevorzugten Rahmens.
• Die doppelte spezielle Relativitätstheorie (DSR) bewahrt die Planck-Länge als invariante minimale Längenskala, jedoch ohne einen bevorzugten Bezugsrahmen.
• Die sehr spezielle Relativitätstheorie beschreibt Raum-Zeit-Symmetrien, die bestimmte echte Untergruppen der Poincaré-Gruppe sind. Es wurde gezeigt, dass die spezielle Relativitätstheorie nur im Kontext der Quantenfeldtheorie oder CP-Erhaltung mit diesem Schema vereinbar ist .
• Nichtkommutative Geometrie (in Verbindung mit der nichtkommutativen Quantenfeldtheorie oder dem nichtkommutativen Standardmodell ) könnte zu Lorentz-Verletzungen führen.
• Lorentz-Verletzungen werden auch in Bezug auf Alternativen zur Allgemeinen Relativitätstheorie wie Loop-Quantengravitation , Emergent Gravitation , Einstein-Äthertheorie , Hořava-Lifshitz-Gravitation diskutiert .

Für die meisten modernen Analysen experimenteller Ergebnisse wird jedoch die Standard-Model Extension (SME) verwendet, bei der Lorentz-verletzende Effekte durch spontane Symmetriebrechung eingeführt werden . Es wurde 1997 und in den folgenden Jahren von Kostelecký und Kollegen eingeführt und enthält alle möglichen Lorentz- und CPT-Verletzungskoeffizienten, die die Eichsymmetrie nicht verletzen . Es umfasst nicht nur die spezielle Relativitätstheorie, sondern auch das Standardmodell und die Allgemeine Relativitätstheorie. Modelle , deren Parameter können KMU und damit in Beziehung gesetzt werden können als Sonderfälle davon zu sehen ist, sind die älteren RMS und c ² Modelle, die Coleman - Glashow Modell , um die KMU - Koeffizienten Dimension 4 - Betreibern und Drehinvarianz, und die Begrenzung Gambini - Pullin Modell oder das Myers-Pospelov-Modell entsprechend der Dimension 5 oder höher Betreiber von KMU.

Lichtgeschwindigkeit

Terrestrisch

Es wurden viele terrestrische Experimente durchgeführt, meist mit optischen Resonatoren oder in Teilchenbeschleunigern, mit denen Abweichungen von der Isotropie der Lichtgeschwindigkeit getestet werden. Anisotropieparameter werden beispielsweise durch die Robertson-Mansouri-Sexl-Testtheorie (RMS) angegeben. Dies ermöglicht eine Unterscheidung zwischen den relevanten orientierungs- und geschwindigkeitsabhängigen Parametern. In modernen Varianten des Michelson-Morley-Experiments wird die Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Orientierung des Apparates und das Verhältnis von Längs- und Querlänge bewegter Körper analysiert. Auch moderne Varianten des Kennedy-Thorndike-Experiments , mit denen die Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit des Apparates und das Verhältnis von Zeitdilatation und Längenkontraktion analysiert wird, wurden durchgeführt; der kürzlich erreichte Grenzwert für den Kennedy-Thorndike-Test ergibt 7 10 ^-12 . Die aktuelle Genauigkeit, mit der eine Anisotropie der Lichtgeschwindigkeit ausgeschlossen werden kann, liegt bei 10 ^–17 . Dies hängt mit der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Sonnensystem und dem Ruhesystem der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung von ∼368 km/s zusammen (siehe auch Resonator Michelson-Morley-Experimente ).

Darüber hinaus kann mit der Standard-Model Extension (SME) eine größere Anzahl von Isotropiekoeffizienten im Photonenbereich erhalten werden. Es verwendet die Koeffizienten der geraden und ungeraden Parität (3×3-Matrizen) , und . Sie können wie folgt interpretiert werden: stellen anisotrope Verschiebungen der Lichtgeschwindigkeit in zwei Richtungen (vorwärts und rückwärts) dar, stellen anisotrope Unterschiede in der einseitigen Geschwindigkeit von gegenläufigen Strahlen entlang einer Achse dar und stellen isotrope (richtungsunabhängige) Verschiebungen in dar die Einweg-Phasengeschwindigkeit des Lichts. Es konnte gezeigt werden, dass solche Lichtgeschwindigkeitsschwankungen durch geeignete Koordinatentransformationen und Feldredefinitionen beseitigt werden können, die entsprechenden Lorentz-Verletzungen jedoch nicht beseitigt werden können, da solche Redefinitionen nur diese Verletzungen vom Photonensektor auf den Materiesektor von SME übertragen. Während gewöhnliche symmetrische optische Resonatoren zum Testen von geradzahligen Effekten geeignet sind und nur winzige Beschränkungen für ungerade Paritätseffekte bieten, wurden auch asymmetrische Resonatoren für die Detektion von ungeraden Paritätseffekten gebaut. Für zusätzliche Koeffizienten im Photonensektor, die zu Doppelbrechung des Lichts im Vakuum führen, die nicht wie die anderen Photoneneffekte umdefiniert werden kann, siehe § Vakuum-Doppelbrechung . ${\displaystyle {\tilde {\kappa}}_{e-}}$${\displaystyle {\tilde {\kappa}}_{o+}}$${\displaystyle {\tilde {\kappa}}_{tr}}$${\displaystyle {\tilde {\kappa}}_{e-}}$${\displaystyle {\tilde {\kappa}}_{o+}}$${\displaystyle {\tilde {\kappa}}_{tr}}$

Ein anderer Testtyp der damit verbundenen Einweg-Lichtgeschwindigkeits-Isotropie in Kombination mit dem Elektronensektor des SME wurde von Bocquet et al. (2010). Sie suchten nach Schwankungen in dem 3 - Impulse von Photonen während Erdrotation, durch die Messung der Compton - Streuung von ultrarelativistischen Elektronen auf monochromen Laserphotonen in dem Rahmen der kosmischen Mikrowellen - Hintergrundstrahlung , wie ursprünglich von vorgeschlagen Vahe Gurzadyan und Amur Margarian (Einzelheiten zu die 'Compton Edge'-Methode und -Analyse siehe, Diskussion zB). ${\displaystyle {\tilde {\kappa}}_{o+}}$

Autor	Jahr	Effektivwert		KMU
		Orientierung	Geschwindigkeit	${\displaystyle {\tilde {\kappa}}_{e-}}$	${\displaystyle {\tilde {\kappa}}_{o+}}$	${\displaystyle {\tilde {\kappa}}_{tr}}$
Michimuraet al.	2013				(0,7±1) × 10 -14	(−0,4±0,9) × 10 −10
Bayneset al.	2012					(3±11) × 10 -10
Bayneset al.	2011				(0,7±1,4) × 10 -12	(3,4±6,2) × 10 -9
Hohenseeet al.	2010			(0,8±0,6) × 10 -16	(−1,5±1,2) × 10 −12	(−1,50±0,74) × 10 −8
Bocquet et al.	2010				1,6 × 10 -14
Herrmannet al.	2009	(4±8) × 10 -12		(−0,31±0,73) × 10 −17	(−0,14±0,78) × 10 −13
Eiseleet al.	2009	(−1,6±6±1,2) × 10 −12		(0,0±1,0±0,3) × 10 -17	(1,5±1,5±0,2) × 10 -13
Tobaret al.	2009		(−4,8±3,7) × 10 −8
Tobaret al.	2009					(−0.3±3) × 10 −7
Mülleret al.	2007			(7,7±4,0) × 10 -16	(1,7±2,0) × 10 -12
Caroneet al.	2006					≲3 × 10 -8
Stanwixet al.	2006	(9,4±8,1) × 10 -11		(−6,9±2,2) × 10 −16	(−0,9±2,6) × 10 −12
Herrmannet al.	2005	(−2,1±1,9) × 10 −10		(−3.1±2.5) × 10 −16	(−2.5±5.1) × 10 −12
Stanwixet al.	2005	(−0,9±2,0) × 10 −10		(−0,63±0,43) × 10 −15	(0,20±0,21) × 10 -11
Antoniniet al.	2005	(+0,5±3±0,7) × 10 -10		(−2,0±0,2) × 10 −14
Wolfet al.	2004			(−5,7±2,3) × 10 −15	(−1.8±1.5) × 10 −11
Wolfet al.	2004	(+1,2±2,2) × 10 -9	(3,7±3,0) × 10 -7
Mülleret al.	2003	(+2,2±1,5) × 10 -9		(1,7±2,6) × 10 -15	(14±14) × 10 -11
Lipaet al.	2003			(1.4±1.4) × 10 −13	≤10 -9
Wolfet al.	2003	(+1,5±4,2) × 10 -9
Braxmaieret al.	2002		(1,9±2,1) × 10 -5
Hils und Hall	1990		6,6 × 10 -5
Brille und Halle	1979	≲5 × 10 -9		≲10 -15

Sonnensystem

Neben terrestrischen Tests wurden auch astrometrische Tests mit Lunar Laser Ranging (LLR), dh dem Senden von Lasersignalen von der Erde zum Mond und zurück, durchgeführt. Sie werden normalerweise verwendet, um die allgemeine Relativitätstheorie zu testen, und werden mit dem parametrisierten post-Newtonschen Formalismus ausgewertet . Da diese Messungen jedoch auf der Annahme einer konstanten Lichtgeschwindigkeit beruhen, können sie auch als Tests der speziellen Relativitätstheorie verwendet werden, indem mögliche Entfernungen und Bahnschwingungen analysiert werden. So demonstrierten Zoltán Lajos Bay und White (1981) die empirischen Grundlagen der Lorentz-Gruppe und damit der speziellen Relativitätstheorie durch die Analyse der planetarischen Radar- und LLR-Daten.

Neben den oben erwähnten terrestrischen Kennedy-Thorndike-Experimenten haben Müller & Soffel (1995) und Müller et al. (1999) testeten den RMS-Geschwindigkeitsabhängigkeitsparameter, indem sie mit LLR nach anomalen Distanzoszillationen suchten. Da die Zeitdilatation bereits mit hoher Genauigkeit bestätigt ist, würde ein positives Ergebnis beweisen, dass die Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit des Beobachters abhängt und die Längenkontraktion richtungsabhängig ist (wie in den anderen Kennedy-Thorndike-Experimenten). Es wurden jedoch keine anomalen Distanzoszillationen beobachtet, mit einer RMS-Geschwindigkeitsabhängigkeitsgrenze von , vergleichbar mit der von Hils und Hall (1990, siehe Tabelle oben rechts). ${\displaystyle \scriptstyle (-5\pm 12)\times 10^{-5}}$

Vakuumdispergierung

Ein weiterer im Zusammenhang mit der Quantengravitation (QG) oft diskutierter Effekt ist die Möglichkeit der Dispersion von Licht im Vakuum ( dh die Abhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Photonenenergie) aufgrund von Lorentz-verletzenden Dispersionsverhältnissen . Dieser Effekt sollte bei Energieniveaus, die mit der Planck-Energie GeV vergleichbar oder darüber liegen, stark sein , während er bei Energien, die im Labor zugänglich sind oder in astrophysikalischen Objekten beobachtet werden, außerordentlich schwach ist. Um eine schwache Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Energie zu beobachten, wurde in vielen Experimenten Licht von fernen astrophysikalischen Quellen wie Gammastrahlenausbrüchen und fernen Galaxien untersucht. Insbesondere die Fermi-LAT- Gruppe konnte zeigen, dass auch jenseits der Planck-Energie keine Energieabhängigkeit und damit keine beobachtbare Lorentz-Verletzung im Photonensektor auftritt, was eine große Klasse von Lorentz-verletzenden Quantengravitationsmodellen ausschließt. ${\displaystyle \scriptstyle E_{\text{Pl}}\sim 1.22\times 10^{19}}$

Vakuum-Doppelbrechung

Lorentz-Verletzungen der Dispersionsbeziehungen aufgrund des Vorhandenseins eines anisotropen Raums können auch zu Vakuum- Doppelbrechung und Paritätsverletzungen führen . Zum Beispiel könnte sich die Polarisationsebene von Photonen aufgrund von Geschwindigkeitsunterschieden zwischen links- und rechtshändigen Photonen drehen. Insbesondere werden Gammablitze, galaktische Strahlung und die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung untersucht. Die SME- Koeffizienten und für Lorentz-Verletzung sind angegeben, 3 und 5 bezeichnen die verwendeten Massendimensionen. Letzteres entspricht in der EFT von Meyers und Pospelov von , da es die Planck-Masse ist. ${\displaystyle \scriptstyle k_{(V)00}^{(3)}}$${\displaystyle \scriptstyle k_{(V)00}^{(5)}}$${\displaystyle \xi}$${\displaystyle {\scriptstyle k_{(V)00}^{(5)}={\frac {3{\sqrt {4\pi}}\xi }{5m_{\text{P}}}}}}$${\displaystyle m_{\text{P}}}$

Name	Jahr	KMU-Grenzen		EFT gebunden, ${\displaystyle \xi}$
		${\displaystyle \scriptstyle k_{(V)00}^{(3)}}$ (GeV)	${\displaystyle \scriptstyle k_{(V)00}^{(5)}}$(GeV −1 )
Götzet al.	2013		5,9 × 10 −35	3,4 × 10 -16
Tom et al.	2012		≤1,4 × 10 −34	≤8 × 10 -16
Laurent et al.	2011		1,9 × 10 −33	≤1,1 × 10 -14
Stecker	2011		≤4,2 × 10 −34	≤2,4 × 10 -15
Kostelecký et al.	2009		≤1 × 10 −32	≤9 × 10 -14
QUaD	2008	≤2 × 10 −43
Kostelecký et al.	2008	=(2,3±5,4) × 10 -43
Maccioneet al.	2008		1,5 × 10 −28	≤9 × 10 -10
Komatsuet al.	2008	=(1,2±2,2) × 10 −43
Kahniashvili et al.	2008	≤2,5 × 10 −43
Xiaet al.	2008	=(2,6±1,9) × 10 −43
Cabellaet al.	2007	=(2,5±3,0) × 10 -43
Fanet al.	2007		3,4 × 10 −26	≤2 × 10 -7
Fenget al.	2006	=(6,0±4,0) × 10 -43
Gleiser et al.	2001		≤8,7 × 10 −23	≤4 × 10 -4
Carrollet al.	1990	≤2 × 10 −42

Maximal erreichbare Geschwindigkeit

Schwellenwertbeschränkungen

Lorentz-Verletzungen könnten zu Unterschieden zwischen der Lichtgeschwindigkeit und der Grenz- oder maximal erreichbaren Geschwindigkeit (MAS) jedes Teilchens führen, während in der speziellen Relativitätstheorie die Geschwindigkeiten gleich sein sollten. Eine Möglichkeit besteht darin, ansonsten verbotene Effekte bei Schwellenenergie in Verbindung mit Teilchen mit Ladungsstruktur (Protonen, Elektronen, Neutrinos) zu untersuchen. Dies liegt daran, dass angenommen wird, dass die Dispersionsbeziehung in Lorentz-verletzenden EFT- Modellen wie SME modifiziert ist . Je nachdem, welches dieser Partikel sich schneller oder langsamer als die Lichtgeschwindigkeit bewegt, können Effekte wie die folgenden auftreten:

• Photonenzerfall mit Überlichtgeschwindigkeit. Diese (hypothetischen) hochenergetischen Photonen würden schnell in andere Teilchen zerfallen, was bedeutet, dass sich hochenergetisches Licht nicht über große Entfernungen ausbreiten kann. Die bloße Existenz von hochenergetischem Licht aus astronomischen Quellen schränkt also mögliche Abweichungen von der Grenzgeschwindigkeit ein.
• Vakuum- Cherenkov-Strahlung mit Überlichtgeschwindigkeit eines beliebigen Teilchens (Protonen, Elektronen, Neutrinos) mit einer Ladungsstruktur. In diesem Fall kann es zur Emission von Bremsstrahlung kommen, bis das Teilchen unter die Schwelle fällt und die subluminale Geschwindigkeit wieder erreicht wird. Dies ähnelt der bekannten Cherenkov-Strahlung in Medien, in denen sich Teilchen schneller bewegen als die Phasengeschwindigkeit des Lichts in diesem Medium. Abweichungen von der Grenzgeschwindigkeit können durch Beobachtung hochenergetischer Teilchen entfernter astronomischer Quellen, die die Erde erreichen, eingeschränkt werden.
• Die Geschwindigkeit der Synchrotronstrahlung könnte modifiziert werden, wenn die Grenzgeschwindigkeit zwischen geladenen Teilchen und Photonen unterschiedlich ist.
• Die Greisen-Zatsepin-Kuzmin-Grenze könnte durch Lorentz-verletzende Effekte umgangen werden. Neuere Messungen zeigen jedoch, dass diese Grenze tatsächlich existiert.

Da astronomische Messungen auch zusätzliche Annahmen beinhalten – wie die unbekannten Bedingungen bei der Emission oder entlang des von den Teilchen zurückgelegten Weges oder die Natur der Teilchen – liefern terrestrische Messungen deutlichere Ergebnisse, obwohl die Grenzen weiter sind (die folgenden Grenzen maximale Abweichungen zwischen Lichtgeschwindigkeit und Grenzgeschwindigkeit der Materie beschreiben):

Taktvergleich und Spinkopplung

Durch diese Art von Spektroskopie- Experimenten – manchmal auch als Hughes-Drever-Experimente bezeichnet – werden Verletzungen der Lorentz-Invarianz in den Wechselwirkungen von Protonen und Neutronen getestet, indem die Energieniveaus dieser Nukleonen untersucht werden, um Anisotropien in ihren Frequenzen ("Uhren") zu finden. . Mit spinpolarisierten Torsionswaagen können auch Anisotropien bezüglich Elektronen untersucht werden. Die verwendeten Methoden konzentrieren sich hauptsächlich auf Vektor-Spin-Wechselwirkungen und Tensor-Wechselwirkungen und werden oft in CPT- ungerade/gerade-SME-Termen beschrieben (insbesondere Parameter von b _μ und c _μν ). Solche Experimente sind derzeit die empfindlichsten terrestrischen, da die Genauigkeit, mit der Lorentz-Verletzungen ausgeschlossen werden können, bei 10 ⁻³³ GeV liegt.

Diese Tests können verwendet werden, um Abweichungen zwischen der maximal erreichbaren _{Materiegeschwindigkeit} und der Lichtgeschwindigkeit _{einzuschränken} , insbesondere in Bezug auf die Parameter von c _μν , die auch bei den Bewertungen der oben erwähnten Schwelleneffekte verwendet werden.

Zeitdilatation

Die klassischen Zeitdilatationsexperimente wie das Ives-Stilwell-Experiment , die Mössbauer-Rotorexperimente und die Zeitdilatation bewegter Teilchen wurden durch modernisierte Geräte erweitert. Zum Beispiel kann die Doppler - Verschiebung von Lithiumionen bei hohen Geschwindigkeiten unter Verwendung ausgewertet gesättigte Spektroskopie in Schwerionenspeicherringen . Weitere Informationen finden Sie unter Moderne Ives-Stilwell-Experimente .

Die aktuelle Genauigkeit, mit der die Zeitdilatation gemessen wird (unter Verwendung der RMS-Testtheorie), liegt bei ~10 ^-8 . Es wurde gezeigt, dass Experimente vom Ives-Stilwell-Typ auch auf den isotropen Lichtgeschwindigkeitskoeffizienten des SME, wie oben eingeführt, empfindlich sind . Chou et al. (2010) konnte sogar eine Frequenzverschiebung von ~10 ⁻¹⁶ durch Zeitdilatation messen , und zwar bei Alltagsgeschwindigkeiten wie 36 km/h. ${\displaystyle {\tilde {\kappa}}_{tr}}$

CPT- und Antimaterie-Tests

Eine weitere grundlegende Symmetrie der Natur ist die CPT-Symmetrie . Es wurde gezeigt, dass CPT-Verletzungen zu Lorentz-Verletzungen in der Quantenfeldtheorie führen (obwohl es nichtlokale Ausnahmen gibt). CPT-Symmetrie erfordert zum Beispiel die Gleichheit der Masse und die Gleichheit der Zerfallsraten von Materie und Antimaterie .

Moderne Tests, bei denen die CPT-Symmetrie bestätigt wurde, werden hauptsächlich im neutralen Mesonensektor durchgeführt . In großen Teilchenbeschleunigern wurden auch direkte Messungen von Massenunterschieden zwischen Top- und Antitop-Quarks durchgeführt.

Mit Hilfe von SME können auch zusätzliche Konsequenzen einer CPT-Verletzung im neutralen Mesonensektor formuliert werden. Andere KMU-bezogene CPT-Tests wurden ebenfalls durchgeführt:

• Mit Penningfallen, in denen einzelne geladene Teilchen und ihre Gegenstücke gefangen werden, haben Gabrielse et al. (1999) untersuchten Zyklotronfrequenzen in Proton- Antiproton- Messungen und konnten keine Abweichung bis hinunter zu 9·10 ⁻¹¹ feststellen .
• Hans Dehmeltet al. testete die Anomaliefrequenz, die bei der Messung des gyromagnetischen Verhältnisses des Elektrons eine grundlegende Rolle spielt . Sie suchten nach siderischen Variationen und auch nach Unterschieden zwischen Elektronen und Positronen. Schließlich fanden sie keine Abweichungen und legten damit Grenzen von 10 ^–24 GeV fest.
• Hugheset al. (2001) untersuchten Myonen auf siderische Signale im Myonenspektrum und fanden keine Lorentz-Verletzung bis hinunter zu 10 ⁻²³ GeV.
• Die "Muon g-2"-Kollaboration des Brookhaven National Laboratory suchte nach Abweichungen in der Anomaliefrequenz von Myonen und Anti-Myonen sowie nach siderischen Variationen unter Berücksichtigung der Erdorientierung. Auch hier konnten keine Lorentz-Verletzungen mit einer Genauigkeit von 10 ⁻²⁴ GeV gefunden werden.

Andere Teilchen und Wechselwirkungen

Partikel der dritten Generation wurden mit Hilfe von SME auf mögliche Lorentz-Verletzungen untersucht. Beispielsweise hat Altschul (2007) der Lorentz-Verletzung des Tau von 10 ⁻⁸ Obergrenzen gesetzt , indem nach einer anomalen Absorption von hochenergetischer astrophysikalischer Strahlung gesucht wurde. Im BaBar-Experiment (2007), dem D0-Experiment (2015) und dem LHCb-Experiment (2016) wurde mit B-Mesonen (also Bottom-Quarks ) und ihren Antiteilchen nach siderischen Variationen während der Erdrotation gesucht. Es wurde kein Lorentz- und CPT-verletzendes Signal mit Obergrenzen im Bereich von 10 ^–15 – 10 ^–14 GeV gefunden. Auch Top-Quark- Paare wurden im D0-Experiment (2012) untersucht. Sie zeigten, dass die Querschnittsproduktion dieser Paare nicht von der Sternzeit während der Erdrotation abhängt.

Lorentz-Verletzungsgrenzen für die Bhabha-Streuung wurden von Charneski et al . (2012). Sie zeigten, dass differentielle Wirkungsquerschnitte für die vektorielle und axiale Kopplung in der QED bei Vorliegen einer Lorentz-Verletzung richtungsabhängig werden. Sie fanden keinen Hinweis auf einen solchen Effekt und legten Obergrenzen für Lorentz-Verletzungen von fest . ${\displaystyle \scriptstyle \leq 10^{14}({\text{eV}})^{-1}}$

Gravitation

Auch der Einfluss der Lorentz-Verletzung auf Gravitationsfelder und damit auf die Allgemeine Relativitätstheorie wurde analysiert. Der Standardrahmen für solche Untersuchungen ist der parametrisierte post-Newtonsche Formalismus (PPN), in dem Lorentz-verletzende bevorzugte Rahmeneffekte durch die Parameter beschrieben werden (siehe den PPN- Artikel über Beobachtungsgrenzen für diese Parameter). Lorentz-Verletzungen werden auch in Bezug auf Alternativen zur Allgemeinen Relativitätstheorie wie Loop-Quantengravitation , Emergent Gravitation , Einstein-Äthertheorie oder Hořava-Lifshitz-Gravitation diskutiert . ${\displaystyle \alpha_{1},\alpha_{2},\alpha_{3}}$

Auch SME ist geeignet, Lorentz-Verletzungen im Gravitationsbereich zu analysieren. Bailey und Kostelecky (2006) beschränkten Lorentz-Verletzungen darauf, indem sie die Perihel-Verschiebungen von Merkur und der Erde analysierten , sowie in Bezug auf die Sonnenspin-Präzession. Battatet al . (2007) untersuchten Lunar Laser Ranging-Daten und fanden keine oszillatorischen Störungen in der Mondumlaufbahn. Ihre stärkste KMU-Grenze ohne Lorentz-Verletzung war . Iorio (2012) ermittelte Grenzen auf der Ebene, indem er Keplersche Orbitalelemente eines Testteilchens untersuchte, auf das Lorentz-verletzende gravitomagnetische Beschleunigungen einwirkten . Xie (2012) analysiert , um den Fortschritt der Periastron von binären pulsars , Grenzen für Lorentz Verletzung an der Einstellungsebene. ${\displaystyle \scriptstyle 10^{-9}}$${\displaystyle \scriptstyle 10^{-13}}$${\displaystyle \scriptstyle (6.9\pm 4.5)\times 10^{-11}}$${\displaystyle \scriptstyle 10^{-9}}$${\displaystyle \scriptstyle 10^{-10}}$

Neutrino-Tests

Neutrino-Oszillationen

Obwohl Neutrino-Oszillationen experimentell bestätigt wurden, sind die theoretischen Grundlagen immer noch umstritten, wie die Diskussion um sterile Neutrinos zeigt . Dies macht Vorhersagen möglicher Lorentz-Verletzungen sehr kompliziert. Es wird allgemein angenommen, dass Neutrino-Oszillationen eine bestimmte endliche Masse benötigen. Allerdings können Schwingungen auch als Folge von Lorentz-Verletzungen auftreten, so dass Spekulationen darüber bestehen, wie viel diese Verletzungen zur Masse der Neutrinos beitragen.

Darüber hinaus wurde eine Reihe von Untersuchungen veröffentlicht, in denen eine siderische Abhängigkeit des Auftretens von Neutrino-Oszillationen getestet wurde, die bei Vorliegen eines bevorzugten Hintergrundfeldes auftreten können. Dies, mögliche CPT-Verletzungen und andere Koeffizienten von Lorentz-Verletzungen im Rahmen von SME wurden getestet. Hier werden einige der erreichten GeV-Grenzen für die Gültigkeit der Lorentz-Invarianz angegeben:

Neutrino-Geschwindigkeit

Seit der Entdeckung der Neutrino-Oszillationen wird angenommen, dass deren Geschwindigkeit etwas unter der Lichtgeschwindigkeit liegt. Direkte Geschwindigkeitsmessungen ergaben eine Obergrenze für relative Geschwindigkeitsunterschiede zwischen Licht und Neutrinos von < 10 ^{− 9} , siehe Messungen der Neutrinogeschwindigkeit . ${\displaystyle \scriptstyle {\frac {|vc|}{c}}}$

Auch indirekte Beschränkungen der Neutrinogeschwindigkeit auf der Grundlage effektiver Feldtheorien wie SME können durch die Suche nach Schwelleneffekten wie der Vakuum-Cherenkov-Strahlung erreicht werden. Neutrinos sollten beispielsweise Bremsstrahlung in Form einer Elektron-Positron- Paarerzeugung aufweisen . Eine andere Möglichkeit im gleichen Rahmen ist die Untersuchung des Zerfalls von Pionen in Myonen und Neutrinos. Superluminale Neutrinos würden diese Zerfallsprozesse erheblich verzögern. Das Fehlen dieser Effekte weist auf enge Grenzen für Geschwindigkeitsunterschiede zwischen Licht und Neutrinos hin.

Geschwindigkeitsunterschiede zwischen Neutrino- Aromen können ebenfalls eingeschränkt werden. Ein Vergleich zwischen Myon- und Elektron-Neutrinos von Coleman & Glashow (1998) ergab ein negatives Ergebnis mit Grenzen <6 × 10 ²² .

Berichte über angebliche Lorentz-Verstöße

Berichte öffnen

LSND, MiniBooNE

Im Jahr 2001 beobachtete das LSND- Experiment einen 3.8σ Überschuss an Antineutrino-Wechselwirkungen in Neutrino-Oszillationen, was dem Standardmodell widerspricht. Erste Ergebnisse des neueren MiniBooNE- Experiments schienen diese Daten oberhalb einer Energieskala von 450 MeV auszuschließen, aber sie hatten Neutrino-Wechselwirkungen überprüft, nicht Antineutrino-Wechselwirkungen. 2008 berichteten sie jedoch über einen Überschuss an elektronenähnlichen Neutrinoereignissen zwischen 200–475 MeV. Und im Jahr 2010 mit Antineutrinos (wie bei LSND) stimmte das Ergebnis mit dem LSND-Ergebnis überein, dh es wurde ein Überschuss auf der Energieskala von 450–1250 MeV beobachtet. Ob diese Anomalien durch sterile Neutrinos erklärt werden können oder auf Lorentz-Verletzungen hinweisen, wird noch diskutiert und unterliegt weiteren theoretischen und experimentellen Untersuchungen.

Gelöste Berichte

Im Jahr 2011 veröffentlichte die OPERA Collaboration (in einem nicht begutachteten arXiv- Preprint) die Ergebnisse von Neutrinomessungen, denen zufolge Neutrinos geringfügig schneller als Licht reisen . Die Neutrinos kamen anscheinend um ~60 ns früher an. Die Standardabweichung betrug 6σ und lag damit deutlich über der 5σ-Grenze, die für ein signifikantes Ergebnis erforderlich ist. Im Jahr 2012 stellte sich jedoch heraus, dass dieses Ergebnis auf Messfehler zurückzuführen war. Das Endergebnis stimmte mit der Lichtgeschwindigkeit überein; siehe Faster-than-light-Neutrino-Anomalie .

Im Jahr 2010 berichtete MINOS über Unterschiede zwischen dem Verschwinden (und damit den Massen) von Neutrinos und Antineutrinos auf dem 2,3-Sigma-Niveau. Dies würde die CPT-Symmetrie und die Lorentz-Symmetrie verletzen. Im Jahr 2011 aktualisierte MINOS jedoch seine Antineutrino-Ergebnisse; nach Auswertung zusätzlicher Daten gaben sie an, dass der Unterschied nicht so groß ist, wie zunächst angenommen. Im Jahr 2012 veröffentlichten sie ein Papier, in dem sie berichteten, dass der Unterschied nun beseitigt ist.

2007 veröffentlichte die MAGIC Collaboration ein Paper, in dem sie eine mögliche Energieabhängigkeit der Geschwindigkeit von Photonen aus der Galaxie Markarian 501 behaupteten . Sie räumten ein, dass auch ein möglicher energieabhängiger Emissionseffekt zu diesem Ergebnis geführt haben könnte. Das MAGIC-Ergebnis wurde jedoch durch die wesentlich genaueren Messungen der Fermi-LAT-Gruppe überlagert, die auch jenseits der Planck-Energie keinen Effekt feststellen konnten . Einzelheiten siehe Abschnitt Dispersion .

1997 behaupteten Nodland & Ralston, eine Rotation der Polarisationsebene des Lichts aus fernen Radiogalaxien gefunden zu haben . Dies würde eine Anisotropie des Raumes anzeigen. Dies stieß auf einiges Interesse in den Medien. Allerdings tauchten sofort einige Kritikpunkte auf, die die Interpretation der Daten in Frage stellten und auf Fehler in der Veröffentlichung anspielten. Neuere Studien haben keine Hinweise auf diesen Effekt gefunden (siehe Abschnitt zur Doppelbrechung ).

Siehe auch

• Tests der speziellen Relativitätstheorie
• Phänomenologische Quantengravitation

Verweise

Externe Links

• Kostelecký: Hintergrundinformationen zu Lorentz- und CPT-Verletzung
• Roberts, Schleif (2006); Relativitäts-FAQ: Was ist die experimentelle Grundlage der Speziellen Relativitätstheorie?