LHAASO實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦相對(duì)論“時(shí)空對(duì)稱”的正確性

該天文臺(tái)旨在觀測(cè)伽馬 / 宇宙射線引發(fā)的空氣簇射（來(lái)自：IHEP.CAS.CN）

早些時(shí)候，位于我國(guó)四川稻城的高海拔宇宙線實(shí)驗(yàn) LHAASO 合作組，利用其觀測(cè)的高能伽馬射線事例，對(duì)洛倫茲對(duì)稱性進(jìn)行了檢驗(yàn)。

論文通訊作者之一、中科院高能物理研究所的畢效軍研究院指出：實(shí)驗(yàn)期間，LHAASO 天文臺(tái)觀測(cè)到了世界上能量最高的宇宙伽馬射線，而他們也借此機(jī)會(huì)開(kāi)展了洛倫茲對(duì)稱性的檢驗(yàn)。

截圖（來(lái)自：LHAASO）

此外中科院紫金山天文臺(tái)的張毅、袁強(qiáng)研究員也參與了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)合作，帶領(lǐng)博士研究生高林青、陳恩生、趙世平等對(duì)我國(guó) LHAASO 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的高能伽馬射線數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，觀測(cè)結(jié)果再次驗(yàn)證了洛倫茲對(duì)稱性。

與之前的最佳結(jié)果相比，新實(shí)驗(yàn)將洛倫茲對(duì)稱性的破缺能量標(biāo)度提升了大約 10 倍 —— 這是迄今為止對(duì)此類洛倫茲對(duì)稱性的最嚴(yán)格檢驗(yàn)，也再次驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦相對(duì)論“時(shí)空對(duì)稱”（Space-Time Symmetry）的正確性。

研究配圖 - 1：對(duì)比擬合結(jié)果

作為現(xiàn)代物理學(xué)的基石，愛(ài)因斯坦相對(duì)論要求物理定律具有洛倫茲對(duì)稱性。自愛(ài)因斯坦提出相對(duì)論后的100多年時(shí)間里，洛倫茲對(duì)稱性的正確性經(jīng)歷了無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。

然而，描述引力的廣義相對(duì)論和描述微觀世界規(guī)律的量子力學(xué)之間存在著難以調(diào)和的矛盾。理論物理學(xué)家為了把廣義相對(duì)論和量子力學(xué)統(tǒng)一起來(lái)進(jìn)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(yù)言洛倫茲對(duì)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(duì)論可能需要被修正。因而，在實(shí)驗(yàn)上尋找洛倫茲對(duì)稱性破壞的跡象就成為檢驗(yàn)相對(duì)論、尋找更基本物理規(guī)律的一個(gè)“突破口”。

研究配圖 - 2：排除曲線

SCI Tech Daily 指出：這些理論預(yù)測(cè)，洛倫茲對(duì)稱性很可能在非常高的能量下被打破，意味著相對(duì)論可能需要在高能下加以修改。

正因如此，通過(guò)尋找洛倫茲對(duì)稱性破缺的信號(hào)來(lái)檢驗(yàn)相對(duì)論、并發(fā)展更基本的物理定律，對(duì)于回答這個(gè)問(wèn)題也變得至關(guān)重要。

根據(jù)這些理論的推斷，洛倫茲對(duì)稱性破壞只有在所謂的普朗克能標(biāo)下才顯著，這個(gè)能標(biāo)高達(dá)1019GeV！（1 GeV = 10 億電子伏特）

對(duì)于人工加速器只能達(dá)到大約104GeV能量的今天，在實(shí)驗(yàn)室里這種破壞產(chǎn)生的效應(yīng)非常微弱，需要極高的實(shí)驗(yàn)精確度才可能被測(cè)量到，因而難以探測(cè)。

但在天體活動(dòng)中存在非常高能的過(guò)程，比如，宇宙中存在能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人造加速器能夠加速的能量的粒子，洛倫茲對(duì)稱性破壞在這些高能粒子上的表現(xiàn)會(huì)更加顯著，也更容易探測(cè)。

又如，盡管從天體源發(fā)射的粒子帶有非常微弱的洛倫茲對(duì)稱性破壞效應(yīng)，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳播的累積而變得更容易探測(cè)。因而天體物理觀測(cè)就成為尋找洛倫茲對(duì)稱性破壞的天然實(shí)驗(yàn)室。

研究配圖 - 3：約束條件比較

位于四川稻城的高海拔大型宇宙線實(shí)驗(yàn)（LHAASO），是我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造運(yùn)行的宇宙線觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。

在 2021 年建設(shè)還沒(méi)有完成的時(shí)候，它就已經(jīng)探測(cè)到迄今已知最高能量的伽馬射線光子，能量達(dá)到了 1.4 拍電子伏。

在刷新這項(xiàng)記錄的同時(shí)，也為探索基本物理規(guī)律、嚴(yán)格檢驗(yàn)洛倫茲對(duì)稱性正確性提供了難得的機(jī)會(huì)。

在 LHAASO 觀測(cè)中，洛倫茲對(duì)稱性破壞會(huì)造成高能量的光子不再穩(wěn)定，能夠快速衰變?yōu)橐粚?duì)正負(fù)電子對(duì)或者衰變到3個(gè)伽馬光子。

換句話說(shuō)，高能量的光子在飛往地球的旅程中就自動(dòng)消失了！對(duì)于我們?cè)诘厍蛏系挠^測(cè)者來(lái)說(shuō)，即使天體源已經(jīng)發(fā)出了能量更高的光子，我們測(cè)量到這個(gè)天體的光子能譜也在這個(gè)特定的能量就忽然截?cái)嗔恕?/p>

而LHAASO的觀測(cè)數(shù)據(jù)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(xù)的，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何高能伽馬事例‘神秘’消失的現(xiàn)象，表明洛倫茲對(duì)稱性在接近普朗克能標(biāo)下仍然是正確的。

綜上所述，當(dāng)接近普朗克能量標(biāo)度時(shí)，洛倫茲對(duì)稱性仍然保持不變。

有關(guān)這項(xiàng)研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在 2 月 3 日的《Physical Review Letters》上。

原標(biāo)題為《Exploring Lorentz Invariance Violation from Ultrahigh-Energy γ Rays Observed by LHAASO》。

【cnBeta.com 綜合】