我國高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）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(yán)格檢驗。8月15日，相關(guān)研究成果以Stringent tests of Lorentz invariance violation from LHAASO observations of GRB 221009A為題，發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，并被美國物理學(xué)會網(wǎng)站特別報道。洛倫茲不變性是愛因斯坦狹義相對論的基本假定，其意義在于慣性系在洛倫茲變換下物理規(guī)律的不變性。這是現(xiàn)代粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的基本對稱性。然而，一些試圖統(tǒng)一量子力學(xué)和廣義相對論的量子引力模型預(yù)言，洛倫茲不變性的假設(shè)在普朗克能標(biāo)上可能不再成立，即存在所謂的洛倫茲不變性破缺。一些量子引力模型認(rèn)為，在微觀尺度下的時空不再是連續(xù)的，而是呈現(xiàn)離散的量子化“泡沫”結(jié)構(gòu)。泡沫化的量子時空在局域上破壞嚴(yán)格的洛倫茲不變性，導(dǎo)致光子在真空中的傳播速度不再是常數(shù)c而是與光子的能量相關(guān)。洛倫茲不變性破缺所產(chǎn)生的這種真空色散效應(yīng)非常微弱，但通過遙遠(yuǎn)距離傳播的積累，高低能光子的細(xì)微速度差可能表現(xiàn)為可探測的到達時間差。因此，發(fā)生在宇宙學(xué)距離的高能爆發(fā)現(xiàn)象——伽馬暴被認(rèn)為是檢驗洛倫茲不變性破缺的重要平臺。2022年10月9日，LHAASO探測到來自迄今最亮伽馬暴GRB 221009A的約65,000個能量范圍在幾百GeV到十幾TeV的高能光子，首次精確測量了伽馬暴甚高能余輝輻射的全過程，打破了伽馬暴的光子最高能量紀(jì)錄。LHAASO合作組通過分析這些甚高能觀測數(shù)據(jù)的能譜時延，發(fā)現(xiàn)不同能量光子之間不存在到達時間延遲現(xiàn)象，從而給出了洛倫茲不變性破缺的嚴(yán)格限制。對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)前國際上基于真空色散實驗方法對洛倫茲不變性的最嚴(yán)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。LHAASO擁有豐富的關(guān)于此伽馬暴事件的觀測事例數(shù)樣本，因此分析結(jié)果具有更高的統(tǒng)計學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性。該工作由中國科學(xué)院紫金山天文臺項目研究員魏俊杰和研究員吳雪峰、高能物理研究所研究員姚志國、上海天文臺博士研究生項光漫合作完成。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院和江蘇省等的支持。論文鏈接美國物理學(xué)會網(wǎng)站特別報道量子化時空破壞洛倫茲不變性，導(dǎo)致不同能量光子的真空傳播速度有微弱差異（示意圖）