光明網(wǎng)訊 最近，位于我國四川稻城的高海拔宇宙線實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了檢驗(yàn)。這是當(dāng)前對這一類洛倫茲對稱性的最嚴(yán)格檢驗(yàn)，也再次驗(yàn)證了愛因斯坦相對論時(shí)空對稱的正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果將洛倫茲對稱性的破缺能量標(biāo)度提高了大約10倍。
據(jù)了解，該研究是來自中國科學(xué)院高能物理研究所的畢效軍研究員和中國科學(xué)院紫金山天文臺的張毅研究員、袁強(qiáng)研究員合作，帶領(lǐng)博士研究生高林青、陳恩生、趙世平等對我國LHAASO實(shí)驗(yàn)觀測的高能伽馬射線數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，觀測結(jié)果再次驗(yàn)證了洛倫茲對稱性。成果論文也發(fā)表在最新一期的《物理評論快報(bào)》上。
洛倫茲對稱性和相對論有何關(guān)系？據(jù)畢效軍介紹，愛因斯坦的相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的基石，相對論原理要求物理規(guī)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(shí)間里，洛倫茲對稱性的正確性經(jīng)歷了無數(shù)的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。然而，描述引力的廣義相對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)家為了把廣義相對論和量子力學(xué)統(tǒng)一起來進(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(shí)驗(yàn)上尋找洛倫茲對稱性破壞的跡象就成為檢驗(yàn)相對論、尋找更基本物理規(guī)律的一個(gè)“突破口”。
然而，根據(jù)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(biāo)下才顯著，這個(gè)能標(biāo)高達(dá)10^19GeV！對于人工加速器只能達(dá)到大約10^4GeV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)精確度才可能被測量到，因而難以探測。但在天體活動(dòng)中存在非常高能的過程，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。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稱性破壞效應(yīng)，但經(jīng)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(shí)驗(yàn)室。
位于我國四川稻城的高海拔大型宇宙線實(shí)驗(yàn)LHAASO是我國自主設(shè)計(jì)建造運(yùn)行的宇宙線觀測實(shí)驗(yàn)，2021年建設(shè)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(dá)到1.4拍電子伏，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)洛倫茲對稱性正確性提供了難得的機(jī)會(huì)。
畢效軍表示，在LHAASO觀測中，洛倫茲對稱性破壞會(huì)造成高能量的光子不再穩(wěn)定，能夠快速衰變?yōu)橐粚φ?fù)電子對或者衰變到3個(gè)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(dòng)消失了！對于我們在地球上的觀測者來說，即使天體源已經(jīng)發(fā)出了能量更高的光子，我們測量到這個(gè)天體的光子能譜也在這個(gè)特定的能量就忽然截?cái)嗔?。而LHAASO的觀測數(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，表明洛倫茲對稱性在接近普朗克能標(biāo)下仍然是正確的。（張夢凡）
文章鏈接: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.051102
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