最近，位于我國四川稻城的高海拔宇宙線實驗（“拉索”，LHAASO）合作組，利用其觀測的高能伽馬射線事例對愛因斯坦相對論時空對稱理論——洛倫茲對稱性的正確性進(jìn)行了檢驗。這是當(dāng)前對洛倫茲對稱性的最嚴(yán)格檢驗。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，驗證了愛因斯坦相對論時空對稱的正確性。相關(guān)論文于近日發(fā)表在最新一期的《物理評論快報》上。
愛因斯坦相對論提出，物理規(guī)律具有洛倫茲對稱性。在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，一直以來，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。
為了把廣義相對論和量子力學(xué)統(tǒng)一起來，理論物理學(xué)家提出了弦論、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”。
根據(jù)理論物理學(xué)家推斷，洛倫茲對稱性破壞只有在“普朗克能標(biāo)”下才顯著，這個能標(biāo)要求能量達(dá)到1千億億吉電子伏特（GeV）級別，而目前人工加速器最高只能達(dá)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。
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。
中國科學(xué)院高能物理研究所研究員畢效軍介紹，天體活動中存在非常高能的物理過程，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。
他表示，“拉索”曾探測到目前人類已知最高能量的伽馬射線光子來自遙遠(yuǎn)的天體，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。
“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，我們測量到這個天體的光子能譜也在這個特定的能量就忽然截斷了。”畢效軍說。
畢效軍和中國科學(xué)院紫金山天文臺研究員張毅、袁強合作，帶領(lǐng)團隊對我國“拉索”實驗觀測的高能伽馬射線數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。他們發(fā)現(xiàn)，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，由此表明洛倫茲對稱性在接近普朗克能標(biāo)下仍然正確。(倪思潔)
相關(guān)論文鏈接: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.051102
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