記者 曾楊希
愛因斯坦的相對論認(rèn)為，宇宙中物質(zhì)運動最快的速度是光速，這一限制有沒有可能被打破？科學(xué)家們表示，這個問題可以通過洛倫茲對稱性的破缺來檢驗。
洛倫茲對稱是一種基本時空對稱，它是粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型和廣義相對論的基石。近日，位于四川稻城的高海拔宇宙線實驗LHAASO（中文名為“拉索”）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(jié)果將洛倫茲對稱性的破缺能量標(biāo)度提高了約10倍，再次驗證了愛因斯坦相對論時空對稱的正確性。相關(guān)成果發(fā)布于最新一期《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett.）。
中科院高能物理研究所研究員畢效軍和中科院紫金山天文臺研究員張毅、袁強合作，帶領(lǐng)博士研究生高林青、陳恩生、趙世平等，對我國LHAASO實驗觀測的高能伽馬射線數(shù)據(jù)進行了分析。
洛倫茲對稱性和相對論有何關(guān)系？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。
LHAASO資料圖 圖片來自中科院高能所
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(jīng)歷了無數(shù)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(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)一起來進行了不懈的努力，提出了弦論等理論。
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(guī)律的一個“突破口”。
然而，根據(jù)這些理論推斷，洛倫茲對稱性破壞只有在“普朗克能標(biāo)”（該能標(biāo)要求能量達到1千億億吉電子伏特（GeV）級別）下才顯著，而目前人工加速器最高只能達到大約1萬GeV能量。因此，在實驗室里，洛倫茲對稱性破壞產(chǎn)生的效應(yīng)非常微弱，很難被測量到。
但在天體活動中存在非常高能的過程，因此，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。在此情況下，天體物理觀測成為尋找洛倫茲對稱性破壞的天然實驗室。
LHAASO資料圖 圖片來自中科院高能所
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(shè)計建造運行的宇宙線觀測實驗，2021年曾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(guī)律、嚴(yán)格檢驗洛倫茲對稱性正確性提供了難得的機會。
倘若洛倫茲對稱性破壞，會造成高能量的光子快速衰變?yōu)橐粚φ?fù)電子對或者三個伽馬光子。
換句話說，如果理論物理學(xué)家的推測是正確的，那么高能量的光子在飛往地球的旅程中就會自動消失。對于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(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。
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