我國高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，中文簡稱拉索）國際合作組利用迄今最亮伽馬暴GRB 221009A的高能輻射對洛倫茲不變性破缺進行了嚴格檢驗。相關研究成果于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《物理評論快報》（Physical Review Letters），并被美國物理學會Physics網站特別報道（Featured in Physics）。
圖1：量子化時空的“泡沫化”結構破壞洛倫茲不變性，導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，拉索探測到來自迄今最亮伽馬暴GRB 221009A的65,000多個光子，它們的能量從0.1到10 太電子伏特（TeV=1012電子伏特）不等。經細致分析，拉索沒有發(fā)現不同能量光子的到達時間存在時間差，既沒有發(fā)現低于光速的“亞光速”，也不存在更快的“超光速”現象，從而對洛倫茲不變性破缺做出了嚴格限制（圖2）。對于一階洛倫茲不變性破缺情形，LHAASO得到了與之前最好結果相當的量子引力能標限制；對于二階洛倫茲不變性破缺情形，LHAASO則將量子引力能標的下限提高了5–7倍。這是當前國際上基于真空色散實驗方法對洛倫茲不變性的最嚴格檢驗，在更高的精度上驗證了愛因斯坦相對論的時空對稱性。值得強調的是，LHAASO對此伽馬暴事件的觀測事例數樣本非常豐富，分析結果具有更高的統(tǒng)計學嚴謹性。
洛倫茲不變性是愛因斯坦狹義相對論的基礎，保證了在不同運動參考系里物理規(guī)律是一樣的，等同于光速是一個常數。然而，一些試圖將量子力學和廣義相對論統(tǒng)一起來的量子引力理論預言了時空不再連續(xù)，存在“泡沫”結構。泡沫化的量子時空在局域上破壞嚴格的洛倫茲不變性，從而導致光子在真空中的傳播速度不再是常數，而是跟光子的能量有關（圖1）。雖然洛倫茲不變性破缺所產生的這種真空傳播速度的差異非常微弱，但是通過遙遠距離傳播的積累，不同能量光子的細微速度差就有可能表現為可探測的到達時間差。因此，發(fā)生在非常遙遠的伽馬暴成為開展這種測量的絕佳機會。
圖2：LHAASO給出的量子引力能標參數h1、h2的95%置信區(qū)間。h1陰影范圍對應于一階量子引力能標下限1.1′1020 GeV（超光速情景）與1.0′1020 GeV（亞光速情景）；h2陰影范圍對應于二階量子引力能標下限7.1′1011 GeV（超光速情景）與6.9′1011 GeV（亞光速情景）。
中國科學院高能物理研究所與上海天文臺聯合培養(yǎng)博士生項光漫、中國科學院紫金山天文臺魏俊杰項目研究員、高能物理研究所姚志國研究員、中國科學院紫金山天文臺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特別報道鏈接：https://physics.aps.org/articles/v17/s99
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