LHAASO最新实验验证爱因斯坦相对论时空对称的正确性

爱因斯坦的相对论认为，宇宙中物质运动最快的速度是光速，这一限制有没有可能被打破？这个问题可以通过洛伦兹对称性的破缺来检验。近日，位于我国四川稻城的高海拔宇宙线实验LHAASO合作组利用其观测的高能伽马射线事例，对洛伦兹对称性进行了检验。实验结果将洛伦兹对称性的破缺能量标度提高了约10倍，这是迄今对此类洛伦兹对称性的最严格检验，并再次验证了爱因斯坦相对论时空对称的正确性。

洛伦兹对称性和相对论有何关系？爱因斯坦的相对论是现代物理学的基石，相对论原理要求物理规律具有洛伦兹对称性。自爱因斯坦提出相对论后的100多年时间里，洛伦兹对称性的正确性经历了无数的实验检验。然而，描述引力的广义相对论和描述微观世界规律的量子力学之间存在难以调和的矛盾。理论物理学家为了把广义相对论和量子力学统一起来而不懈努力，提出了弦论、圈量子引力理论等不同理论。这些理论预言洛伦兹对称性在很高的能量下有可能被破坏，这意味着在高能量下相对论可能需要被修正。因此，在实验上寻找洛伦兹对称性破坏的迹象就成为检验相对论、寻找更基本物理规律的“突破口”。

然而，根据这些理论的推断，洛伦兹对称性破坏只有在所谓的普朗克能标下才显著，这个能标高达10¹⁹ GeV。对于人工加速器只能达到大约10⁴ GeV能量的今天，在实验室里这种破坏产生的效应非常微弱，需要极高的实验精确度才可能被测量到，因而难以探测。而在天体活动中存在非常高能的过程，例如，宇宙中存在能量远远高于人造加速器能够加速的能量的粒子，洛伦兹对称性破坏在这些高能粒子上的表现会更加显著，也更易探测。又如，尽管从天体源发射的粒子带有非常微弱的洛伦兹对称性破坏效应，但经过长距离传播的累积而变得更易探测。因而天体物理观测便成为寻找洛伦兹对称性破坏的天然实验室。

LHAASO是我国自主设计建造运行的宇宙线观测实验，2021年建设过程中便探测到目前人类已知最高能量的伽马射线光子，能量达到1.4拍电子伏，刷新这项记录的同时，也为探索基本物理规律、严格检验洛伦兹对称性正确性提供了机会。

在LHAASO观测中，洛伦兹对称性破坏会造成高能量的光子不再稳定，能够快速衰变为一对正负电子对或者衰变到3个伽马光子。换句话说，高能量的光子在飞往地球的旅程中自动消失了。对于我们在地球上的观测者来说，即使天体源已经发出了能量更高的光子，我们测量到这个天体的光子能谱也在这个特定的能量忽然截断了。而LHAASO的观测数据显示，目前的伽马射线谱到拍电子伏以上都是一直向高能延续的，未发现任何高能伽马事例“神秘”消失的现象，表明洛伦兹对称性在接近普朗克能标下仍是正确的。

该研究由中国科学院高能物理研究所研究员毕效军与紫金山天文台研究员张毅、袁强合作，带领博士研究生高林青、陈恩生、赵世平等共同完成。相关研究成果以Exploring the Lorentz Invariance Violation from Ultra-high-energy Gamma Rays Observed by LHAASO为题，发表在《物理评论快报》上。

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