我国高海拔宇宙线观测站（LHAASO，中文简称拉索）国际合作组利用迄今最亮伽马暴GRB 221009A的高能辐射对洛伦兹不变性破缺进行了严格检验。相关研究成果于2024年8月15日以“Stringent tests of Lorentz invariance violation from LHAASO observations of GRB 221009A”为题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），并被美国物理学会Physics网站特别报道（Featured in Physics）。
图1：量子化时空的“泡沫化”结构破坏洛伦兹不变性，导致不同能量光子在真空中的传播速度略有差异（示意图）。
2022年10月9日，拉索探测到来自迄今最亮伽马暴GRB 221009A的65,000多个光子，它们的能量从0.1到10 太电子伏特（TeV=1012电子伏特）不等。经细致分析，拉索没有发现不同能量光子的到达时间存在时间差，既没有发现低于光速的“亚光速”，也不存在更快的“超光速”现象，从而对洛伦兹不变性破缺做出了严格限制（图2）。对于一阶洛伦兹不变性破缺情形，LHAASO得到了与之前最好结果相当的量子引力能标限制；对于二阶洛伦兹不变性破缺情形，LHAASO则将量子引力能标的下限提高了5–7倍。这是当前国际上基于真空色散实验方法对洛伦兹不变性的最严格检验，在更高的精度上验证了爱因斯坦相对论的时空对称性。值得强调的是，LHAASO对此伽马暴事件的观测事例数样本非常丰富，分析结果具有更高的统计学严谨性。
洛伦兹不变性是爱因斯坦狭义相对论的基础，保证了在不同运动参考系里物理规律是一样的，等同于光速是一个常数。然而，一些试图将量子力学和广义相对论统一起来的量子引力理论预言了时空不再连续，存在“泡沫”结构。泡沫化的量子时空在局域上破坏严格的洛伦兹不变性，从而导致光子在真空中的传播速度不再是常数，而是跟光子的能量有关（图1）。虽然洛伦兹不变性破缺所产生的这种真空传播速度的差异非常微弱，但是通过遥远距离传播的积累，不同能量光子的细微速度差就有可能表现为可探测的到达时间差。因此，发生在非常遥远的伽马暴成为开展这种测量的绝佳机会。
图2：LHAASO给出的量子引力能标参数h1、h2的95%置信区间。h1阴影范围对应于一阶量子引力能标下限1.1´1020 GeV（超光速情景）与1.0´1020 GeV（亚光速情景）；h2阴影范围对应于二阶量子引力能标下限7.1´1011 GeV（超光速情景）与6.9´1011 GeV（亚光速情景）。
中国科学院高能物理研究所与上海天文台联合培养博士生项光漫、中国科学院紫金山天文台魏俊杰项目研究员、高能物理研究所姚志国研究员、中国科学院紫金山天文台吴雪峰研究员为本工作的主要完成人和论文共同通讯作者。
文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.071501
Physics特别报道链接：https://physics.aps.org/articles/v17/s99
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