LHAASO最新宇宙射線實驗驗證愛因斯坦相對論時空對稱的正確性

愛因斯坦的相對論認為,宇宙中物質運動最快的速度是光速，這一限制有沒有可能被打破？這個問題可以通過洛倫茲對稱性的破缺來檢驗。最近，位于我國四川稻城的高海拔宇宙線實驗LHAASO合作組利用其觀測的高能伽馬射線事例對洛倫茲對稱性進行了檢驗。實驗結果將洛倫茲對稱性的破缺能量標度提高了大約10倍，這是當前對這一類洛倫茲對稱性的最嚴格檢驗，也再次驗證了愛因斯坦相對論時空對稱的正確性。

該天文臺旨在觀測伽馬 / 宇宙射線引發的空氣簇射（來自：IHEP.CAS.CN）

來自中國科學院高能物理研究所的畢效軍研究員和中國科學院紫金山天文臺的張毅研究員、袁強研究員合作，帶領博士研究生高林青、陳恩生、趙世平等對我國LHAASO實驗觀測的高能伽馬射線數據進行了分析，觀測結果再次驗證了洛倫茲對稱性。

洛倫茲對稱性和相對論有何關系？愛因斯坦的相對論是現代物理學的基石，相對論原理要求物理規律具有洛倫茲對稱性。自愛因斯坦提出相對論后的100多年時間里，洛倫茲對稱性的正確性經歷了無數的實驗檢驗。然而，描述引力的廣義相對論和描述微觀世界規律的量子力學之間存在著難以調和的矛盾。理論物理學家為了把廣義相對論和量子力學統一起來進行了不懈的努力，提出了弦論、圈量子引力理論等不同的理論。這些理論預言洛倫茲對稱性在很高的能量下有可能被破壞，這意味著在高能量下相對論可能需要被修正。因而，在實驗上尋找洛倫茲對稱性破壞的跡象就成為檢驗相對論、尋找更基本物理規律的一個“突破口”。

然而，根據這些理論的推斷，洛倫茲對稱性破壞只有在所謂的普朗克能標下才顯著，這個能標高達1019GeV！對于人工加速器只能達到大約104GeV能量的今天，在實驗室里這種破壞產生的效應非常微弱，需要極高的實驗精確度才可能被測量到，因而難以探測。但在天體活動中存在非常高能的過程，比如，宇宙中存在能量遠遠高于人造加速器能夠加速的能量的粒子，洛倫茲對稱性破壞在這些高能粒子上的表現會更加顯著，也更容易探測。又如，盡管從天體源發射的粒子帶有非常微弱的洛倫茲對稱性破壞效應，但經過長距離傳播的累積而變得更容易探測。因而天體物理觀測就成為尋找洛倫茲對稱性破壞的天然實驗室。

位于我國四川稻城的高海拔大型宇宙線實驗LHAASO是我國自主設計建造運行的宇宙線觀測實驗，2021年建設還沒有完成就探測到目前人類已知最高能量的伽馬射線光子，能量達到1.4拍電子伏，刷新這項記錄的同時，也為探索基本物理規律、嚴格檢驗洛倫茲對稱性正確性提供了難得的機會。

在LHAASO觀測中，洛倫茲對稱性破壞會造成高能量的光子不再穩定，能夠快速衰變為一對正負電子對或者衰變到3個伽馬光子。換句話說，高能量的光子在飛往地球的旅程中就自動消失了！對于我們在地球上的觀測者來說，即使天體源已經發出了能量更高的光子，我們測量到這個天體的光子能譜也在這個特定的能量就忽然截斷了。而LHAASO的觀測數據顯示，目前的伽馬射線譜到拍電子伏以上都是一直向高能延續的，并沒有發現任何高能伽馬事例“神秘”消失的現象，表明洛倫茲對稱性在接近普朗克能標下仍然是正確的。

這一研究成果發表在最新一期的《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett.）上，題為“Exploring the Lorentz Invariance Violation from Ultra-high-energy Gamma Rays Observed by LHAASO”。

文章鏈接: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.051102