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【天目新闻】中国LHAASO最新实验验证爱因斯坦相对论时空对称的正确性
2022-02-11|文章来源:天目新闻 |【
 

  记者 曾杨希

  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?科学家们表示,这个问题可以通过洛伦兹对称性的破缺来检验。

  洛伦兹对称是一种基本时空对称,它是粒子物理学的标准模型和广义相对论的基石。近日,位于四川稻城的高海拔宇宙线实验LHAASO(中文名为“拉索”)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,再次验证了爱因斯坦相对论时空对称的正确性。相关成果发布于最新一期《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett.)。

  中科院高能物理研究所研究员毕效军和中科院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,对我国LHAASO实验观测的高能伽马射线数据进行了分析。

  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。

LHAASO资料图 图片来自中科院高能所

  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,提出了弦论等理论。

  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,根据这些理论推断,洛伦兹对称性破坏只有在“普朗克能标”(该能标要求能量达到1千亿亿吉电子伏特(GeV)级别)下才显著,而目前人工加速器最高只能达到大约1万GeV能量。因此,在实验室里,洛伦兹对称性破坏产生的效应非常微弱,很难被测量到。

  但在天体活动中存在非常高能的过程,因此,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。在此情况下,天体物理观测成为寻找洛伦兹对称性破坏的天然实验室。

LHAASO资料图 图片来自中科院高能所

  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年曾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。

  倘若洛伦兹对称性破坏,会造成高能量的光子快速衰变为一对正负电子对或者三个伽马光子。

  换句话说,如果理论物理学家的推测是正确的,那么高能量的光子在飞往地球的旅程中就会自动消失。对于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。


 
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