我國(guó)高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO，中文簡(jiǎn)稱拉索）國(guó)際合作組利用迄今最亮伽馬暴GRB 221009A的高能輻射對(duì)洛倫茲不變性破缺進(jìn)行了嚴(yán)格檢驗(yàn)。相關(guān)研究成果于2024年8月15日以“Stringent tests of Lorentz invariance violation from LHAASO observations of GRB 221009A”為題發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters），并被美國(guó)物理學(xué)會(huì)Physics網(wǎng)站特別報(bào)道（Featured in Physics）。
圖1：量子化時(shí)空的“泡沫化”結(jié)構(gòu)破壞洛倫茲不變性，導(dǎo)致不同能量光子在真空中的傳播速度略有差異（示意圖）。
2022年10月9日，拉索探測(cè)到來(lái)自迄今最亮伽馬暴GRB 221009A的65,000多個(gè)光子，它們的能量從0.1到10 太電子伏特（TeV=1012電子伏特）不等。經(jīng)細(xì)致分析，拉索沒(méi)有發(fā)現(xiàn)不同能量光子的到達(dá)時(shí)間存在時(shí)間差，既沒(méi)有發(fā)現(xiàn)低于光速的“亞光速”，也不存在更快的“超光速”現(xiàn)象，從而對(duì)洛倫茲不變性破缺做出了嚴(yán)格限制（圖2）。對(duì)于一階洛倫茲不變性破缺情形，LHAASO得到了與之前最好結(jié)果相當(dāng)?shù)牧孔右δ軜?biāo)限制；對(duì)于二階洛倫茲不變性破缺情形，LHAASO則將量子引力能標(biāo)的下限提高了5–7倍。這是當(dāng)前國(guó)際上基于真空色散實(shí)驗(yàn)方法對(duì)洛倫茲不變性的最嚴(yán)格檢驗(yàn)，在更高的精度上驗(yàn)證了愛因斯坦相對(duì)論的時(shí)空對(duì)稱性。值得強(qiáng)調(diào)的是，LHAASO對(duì)此伽馬暴事件的觀測(cè)事例數(shù)樣本非常豐富，分析結(jié)果具有更高的統(tǒng)計(jì)學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性。
洛倫茲不變性是愛因斯坦狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)，保證了在不同運(yùn)動(dòng)參考系里物理規(guī)律是一樣的，等同于光速是一個(gè)常數(shù)。然而，一些試圖將量子力學(xué)和廣義相對(duì)論統(tǒng)一起來(lái)的量子引力理論預(yù)言了時(shí)空不再連續(xù)，存在“泡沫”結(jié)構(gòu)。泡沫化的量子時(shí)空在局域上破壞嚴(yán)格的洛倫茲不變性，從而導(dǎo)致光子在真空中的傳播速度不再是常數(shù)，而是跟光子的能量有關(guān)（圖1）。雖然洛倫茲不變性破缺所產(chǎn)生的這種真空傳播速度的差異非常微弱，但是通過(guò)遙遠(yuǎn)距離傳播的積累，不同能量光子的細(xì)微速度差就有可能表現(xiàn)為可探測(cè)的到達(dá)時(shí)間差。因此，發(fā)生在非常遙遠(yuǎn)的伽馬暴成為開展這種測(cè)量的絕佳機(jī)會(huì)。
圖2：LHAASO給出的量子引力能標(biāo)參數(shù)h1、h2的95%置信區(qū)間。h1陰影范圍對(duì)應(yīng)于一階量子引力能標(biāo)下限1.1′1020 GeV（超光速情景）與1.0′1020 GeV（亞光速情景）；h2陰影范圍對(duì)應(yīng)于二階量子引力能標(biāo)下限7.1′1011 GeV（超光速情景）與6.9′1011 GeV（亞光速情景）。
中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所與上海天文臺(tái)聯(lián)合培養(yǎng)博士生項(xiàng)光漫、中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)魏俊杰項(xiàng)目研究員、高能物理研究所姚志國(guó)研究員、中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)吳雪峰研究員為本工作的主要完成人和論文共同通訊作者。
文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.071501
Physics特別報(bào)道鏈接：https://physics.aps.org/articles/v17/s99
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