L'invariance de Lorentz est un ensemble de cadres fondamentaux qui sous-tendent la science moderne en général et la physique fondamentale en particulier. Les tests modernes de violation d'invariance de Lorentz (LIV, pour "Lorentz Invariance Violation") sont des études qui recherchent des déviations par rapport à ces cadres fondamentaux. Ces déviations peuvent être des violations ou des exceptions concernant des lois physiques bien connues telles que la relativité restreinte et la symétrie CPT, violations prévues par certains modèles de gravité quantique, de théorie des cordes et certaines alternatives à la relativité générale.
Les violations d'invariance de Lorentz concernent les prédictions fondamentales de la relativité restreinte, tels que le principe de relativité, la constance de la vitesse de la lumière dans tous les référentiels inertiels, et la dilatation du temps, ainsi que les prédictions du modèle standard de la physique des particules. Pour évaluer et prédire les violations possibles, des théories effectives de la relativité restreinte et des théories effectives des champs (EFT pour "effective field theories"), tels que l'extension du modèle standard (SME pour "Standard-Model Extension") ont été inventés. Ces modèles introduisent des violations de Lorentz et CPT par brisures spontanées de symétrie causées par les d'hypothétiques nouveaux champs, qui amène à des effets de référentiel préférentiel. Cela pourrait entraîner, par exemple, à des modifications de la relation de dispersion, ce qui engendrerait des différences entre la vitesse maximale atteignable pour la matière et la vitesse de la lumière.
Des expériences à la fois terrestres et astronomiques ont été effectuées, et de nouvelles techniques expérimentales ont été mises en place. Aucune violation de Lorentz n'a pu être mesurée à ce jour, et les violations signalées ont été réfutées ou n'ont pas eu d'autres confirmations. Pour une analyse de nombreuses expériences, voir Mattingly (2005). Pour une liste détaillée des résultats de recherches expérimentales récentes, voir Kostelecký et Russell (2008-2013). Pour une revue récente et une histoire des modèles d'invariance de Lorentz, voir Liberati (2013). Voir aussi l'article principal Tests de la relativité restreinte.
Évaluer une possible violation d'invariance de Lorentz Les premiers modèles évaluant la possibilité de légères déviations de l'invariance de Lorentz ont été publiés entre les années 1960 et 1990. En outre, des modèles-test de relativité restreinte et de théorie effective des champs (EFT) pour l'évaluation de nombreuses expériences ont été développés.
En particulier, l'extension du modèle standard (SME), dans laquelle des effets de violation de Lorentz introduits par brisure spontanée de symétrie, est utilisée pour la plupart des analyses modernes de résultats expérimentaux. Ce modèle a été introduit par Kostelecký et ses collègues en 1997 et les années suivantes, et contient tous les coefficients possibles de violation Lorentz et CPT qui ne remettent pas en cause la symétrie de jauge. Il prend en compte non seulement la relativité restreinte, mais aussi le modèle standard et la relativité générale. Les modèles suivants ont des paramètres qui peuvent être reliés à SME et peuvent donc être vus comme des cas particuliers de celle-ci : les modèles RMS et c, le modèle de Coleman et Glashow et les modèles de Gambini-Pullin ou de Meyers-Pospelov.
Vitesse de la lumière Sur Terre De nombreuses expériences ont été menées sur Terre, surtout avec des résonateurs optiques ou des accélérateurs de particules, qui permettent de tester des écarts à l'isotropie de la vitesse de la lumière. Des paramètres d'anisotropie sont donnés, par exemple, par le modèle-test de Robertson-Mansouri-Sexl (RMS). Ce modèle-test permet de faire la distinction entre les paramètres pertinents dépendants de l'orientation et de la vitesse. Dans des variantes modernes de l'expérience de Michelson-Morley, la dépendance de la vitesse de la lumière par rapport à l'orientation de l'appareil et à la relation de longueurs longitudinales et transversales des corps en mouvement est analysée. Également, des variantes modernes de l'expérience Kennedy-Thorndike ont été mises en œuvre, dans lesquelles sont analysées la dépendance entre la vitesse de la lumière et la vitesse de l'appareil et la relation entre dilatation du temps et longueur de contraction. La précision actuelle est de l'ordre de 10, ce qui permet d'exclure une anisotropie de la vitesse de la lumière. Ceci est lié à la vitesse relative entre le système solaire et le référentiel de repos du rayonnement de fond diffus cosmologique de l'ordre de (voir aussi les expériences du résonateur de Michelson-Morley).
En outre, l'extension du modèle standard (SME) peut être utilisée pour obtenir un plus grand nombre de coefficients d'isotropie dans le secteur des photons. Elle utilise les coefficients de parité pairs et impairs (matrices 3x3) , et . Ils peuvent être interprétés comme suit: représente les changements anisotropes de la vitesse de la lumière dans les deux sens (avant et arrière), représente les différences anisotropes de la vitesse unidirectionnelle de faisceaux se propageant en sens opposés le long d'un axe; Standalone version of work included in the Ph.D. Thesis of M.A. Hohensee., et représentent des changements isotropes (indépendamment de l'orientation) de la vitesse de phase de la lumière. Il a été montré que de telles variations de la vitesse de la lumière peuvent être éliminées par des transformations de coordonnées appropriées et redéfinitions de champs, bien que la violation de Lorentz correspondante ne puisse pas être supprimées ; en effet ces redéfinitions ne font que transférer que ces violations du secteur des photons au secteur de la matière du SME. Les résonateurs optiques symétriques ordinaires sont adaptés pour tester les effets parité paire, tandis que les résonateurs asymétriques ont été construits pour la détection des effets de parité impaire. Pour les coefficients supplémentaires dans le secteur de photons conduisant à une biréfringence de la lumière dans le vide, voir # Biréfringence dans le vide.
Un autre type de test de lié à l'isotropie de la vitesse de la lumière en combinaison avec le secteur électronique du SME a été menée par Bocquet et al. (2010). Ils ont cherché des fluctuations du moment-vecteur de photons pendant la rotation de la Terre, par mesure de la diffusion Compton des électrons ultra-relativistes sur les photons de laser monochromatique dans le référentiel du rayonnement de fond diffus cosmologique, comme suggéré à l'origine par Vahé Gurzadyan et Amur Margarian (Pour plus de détails sur cette méthode et l'analyse "Compton Edge", voir, par exemple la discussion).
Auteurs Année depublication RMS SME Orientation Vitesse Michimura et al. 2013 Baynes et al. 2012 Baynes et al. 2011 Hohensee et al. 2010 0,8(0,6) × -1,5(1,2) × -1,5(0,74) × Bocquet et al. 2010< combiné avec coefficients électroniques Herrmann et al. 2009 Eisele et al. 2009 (-1,6 ± 6 ± 1,2) × (0,0 ± 1,0 ± 0,3) × (1,5 ± 1,5 ± 0,2) × Tobar et al. 2009 -4,8(3,7) × Tobar et al. 2009 Müller et al. 2007 (7,7(4,0) × (1,7(2,0) × Carone et al. 2006 ≲ mesurée en étudiant le moment magnétique anomal de l'électron. Stanwix et al. 2006 9,4(8,1) × -6,9(2,2) × -0,9(2,6) × Herrmann et al. 2005 -3,1(2,5) × -2,5(5,1) × Stanwix et al. 2005 -0,9(2,0) × -0,63(0,43) × 0,20(0,21) × Antonini et al. 2005 +0,5 ± 3 ± 0,7 × Wolf et al. 2004 Wolf et al. 2004 Müller et al. 2003 Lipa et al. 2003 < Wolf et al. 2003 Braxmaier et al. 2002 Hils et Hall 1990 Brillet et Hall 1979 ≲ ≲
Système solaire Outre les tests effectués sur Terre, des tests astrométriques ont été menées utilisant le Lunar Laser Ranging (LLR) (LLR), c'est-à-dire en envoyant des signaux laser de la Terre à la Lune qui sont réfléchis et renvoyés sur Terre. Ils sont habituellement utilisés pour tester la relativité générale et sont évalués en utilisant le formalisme à paramètres post-newtoniens. Cependant, étant donné que ces mesures sont basées sur l'hypothèse que la vitesse de la lumière est constante, ils peuvent également être utilisés en tant que tests de relativité en analysant des oscillations possibles de distance et d'orbite . Par exemple, Zoltán Lajos Bay et White (1981) ont démontré les fondements empiriques du groupe de Lorentz et donc de la relativité restreinte en analysant le radar planétaire et les données de LLR.
En plus des expériences sur Terre de Kennedy et Thorndike mentionnées plus haut, Müller et Soffel (1995) et Müller et al. (1999) ont testé le paramètre de dépendance de la vitesse RMS en recherchant des oscillations anormales de distance, en utilisant LLR. Puisque la dilatation du temps est déjà confirmée à haute précision, un résultat positif serait la preuve que vitesse de la lumière dépend de la vitesse de l'observateur et que la contraction des longueurs dépend de la direction (comme dans les autres expériences de Kennedy et Thorndike). Cependant, aucune oscillation anormale de distance a été observée, avec une limite de la dépendance de la vitesse de RMS de , comparable à celle de Hils et Hall (1990, voir tableau ci-dessus sur la droite).
Dispersion dans le vide Un autre effet souvent discuté dans le cadre de la gravitation quantique (QG) est la possibilité de dispersion de la lumière dans le vide (c'est-à-dire la dépendance de vitesse de la lumière en l'énergie des photons), en raison de relations de dispersion violant l'invariance de Lorentz. Cet effet devrait être important à des niveaux d'énergie comparables à, ou au-delà de l'énergie de Planck ~, tout en étant extrêmement faible aux énergies accessibles en laboratoire ou observés dans les objets astrophysiques. Pour tenter d'observer une dépendance de la vitesse sur l'énergie, la lumière provenant de sources astrophysiques lointains telles que les sursauts gamma et les noyaux actifs de galaxies lointaines a été examinée dans de nombreuses expériences. En particulier la collaboration de Fermi-LAT a pu montrer qu'aucune dépendance en énergie, et donc qu'aucune violation de Lorentz observable se produit dans le secteur des photons même au-delà de l'énergie de Planck, ce qui exclut une grande classe de modèles de gravité quantique violant l'invariance de Lorentz.
Auteurs Année Limites QG en GeV 95 % de niveaude confiance 99 % de niveaude confianceVasileiou et al.2013> Nemiroff et al. 2012 > Fermi-LAT-GBM2009> > H.E.S.S.2008≥ MAGIC2007≥ Ellis et al.2007≥ Lamon et al.2007≥ Martinez et al.2006≥ Boggs et al.2004≥ Ellis et al.2003≥ Ellis et al.2000≥ Kaaret1999> Schaefer1999≥ Biller1999>
Biréfringence dans le vide Les relations de dispersion violant l'invariance de Lorentz dues à la présence d'un espace anisotrope peuvent aussi conduire à la biréfringence dans le vide et à la violation de la parité. Par exemple, le plan de polarisation des photons peut tourner en raison de différences de vitesse entre les photons d'hélicité gauche et droite. En particulier, les sursauts gamma, le rayonnement galactique, et le rayonnement de fond diffus cosmologique sont examinés. Les coefficients SME et pour une violation de Lorentz sont donnés, 3 et 5 désignent les dimensions de masse utilisées. Celle-ci correspond à dans le EFT de Meyers et Pospelov par , étant la masse de Planck.
Auteurs Année Limites SME Limites EFT en GeV en Götz et al.2013 ≤ ≤ Toma et al.2012 ≤ ≤ Laurent et al.2011 ≤ ≤ Stecker2011 ≤ ≤ Kostelecký et al.2009 ≤ ≤ QUaD2008≤ Kostelecký et al.2008 = Maccione et al.2008 ≤ ≤ Komatsu et al.2008= Kahniashvili et al.2008≤ Xia et al.2008= Cabella et al.2007= Fan et al.2007 ≤ ≤ Feng et al.2006= Gleiser et al.2001 ≤ ≤ Carroll et al.1990≤
Vitesse maximale atteignable Contraintes de seuil