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紫臺等利用LHAASO實驗對洛倫茲對稱性給出最精確檢驗

  相對論的基本思想是物理規律在不同參考系具有相同的表達形式,數學上要求物理規律具有洛倫茲對稱性。自愛因斯坦提出相對論后,洛倫茲對稱性的正確性經歷了無數的實驗檢驗,成為現代物理學的基石。

  然而,描述引力理論的廣義相對論和量子力學之間卻存在難以調和的矛盾。理論物理學家為了把廣義相對論和量子力學統一起來進行了不懈的努力。在某些量子引力理論中,洛倫茲對稱性存在微小的破壞,這些破壞只在普朗克能標(~1019 GeV)下才變得顯著。如果存在洛倫茲對稱性破壞,高能量的光子將不再穩定,會快速衰變為一對正負電子對(γ→e+e-)或者衰變到3個伽馬光子(γ→3γ)。這一過程將導致天體源所輻射的伽馬射線能譜在高于某個能量時會突然截斷,即更高能量的伽馬事例無法存在。

  最近,中國科學院紫金山天文臺的LHAASO分析小組與中國科學院高能物理研究所的畢效軍研究員合作,利用我國LHAASO實驗觀測到的超高能伽馬射線事例對洛倫茲對稱性進行了高精度的檢驗。通過分析LHAASO實驗數據,他們發現幾個具有最高能量光子的伽馬射線源能譜即使到拍電子伏以上也都持續向高能延伸,并沒有發現任何高能伽馬事例“神秘”消失的現象,從而再次驗證了洛倫茲對稱性。相比以前的實驗,LHAASO將洛倫茲對稱性的破缺能量標度提高了大約一個數量級,如下圖所示。這是當前對這一類洛倫茲對稱性的最嚴格檢驗。


圖:不同實驗給出的洛倫茲破缺能標下限。紅色和藍色直方圖分別代表一階和二階洛倫茲破缺能標。

  這一研究成果發表在最新一期的《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett.)上。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院和江蘇省等基金項目的資助。

  文章鏈接: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.051102

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