LHAASO最新宇宙射线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。最近，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大约10倍，这是当前对这一类洛伦兹对称性的最严格检验，也再次验证了爱因斯坦相对论时空对称的正确性。

该天文台旨在观测伽马 / 宇宙射线引发的空气簇射（来自：IHEP.CAS.CN）

来自中国科学院高能物理研究所的毕效军研究员和中国科学院紫金山天文台的张毅研究员、袁强研究员合作，带领博士研究生高林青、陈恩生、赵世平等对我国LHAASO实验观测的高能伽马射线数据进行了分析，观测结果再次验证了洛伦兹对称性。

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着难以调和的矛盾。理论物理学家为了把广义相对论和量子力学统一起来进行了不懈的努力，提出了弦论、圈量子引力理论等不同的理论。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。因而，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一个“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1019GeV！对于人工加速器只能达到大约104GeV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。但在天体活动中存在非常高能的过程，比如，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，也更容易探测。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容易探测。因而天体物理观测就成为寻找洛伦兹对称性破坏的天然实验室。

位于我国四川稻城的高海拔大型宇宙线实验LHAASO是我国自主设计建造运行的宇宙线观测实验，2021年建设还没有完成就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难得的机会。

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就自动消失了！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就忽然截断了。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，并没有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然是正确的。

这一研究成果发表在最新一期的《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett.）上，题为“Exploring the Lorentz Invariance Violation from Ultra-high-energy Gamma Rays Observed by LHAASO”。

文章链接: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.051102