I ricercatori dell'Istituto di Fisica delle Alte Energie dell'Accademia Cinese delle Scienze hanno esaminato la validità della teoria della relatività con il massimo precisione in uno studio intitolato "Exploring Lorentz Invariance Violation from Ultrahigh-Energy ?Rays Observed by LHAASO", pubblicato nell'ultimo numero di Physical Review Letters.
Secondo la teoria della relatività di Einstein, la velocità massima della materia nell'Universo è la velocità della luce. Se tale limite è violabile può essere verificato esaminando la rottura della simmetria di Lorentz o la violazione dell'invarianza di Lorentz.
Il Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) è un osservatorio di raggi gamma e raggi cosmici in Cina progettato per osservare gli sciami d'aria innescati dai raggi gamma e dai raggi cosmici.
“Usando i raggi gamma di energia più alta del mondo osservati dal Large High Altitude Air-shower Observatory (LHAASO), un esperimento di raggi cosmici su larga scala a Daocheng, nella provincia di Sichuan, in Cina, abbiamo testato la simmetria di Lorentz. Il risultato migliora la scala dell'energia di rottura della simmetria di Lorentz di decine di volte rispetto al miglior risultato precedente. Questo è il test più rigoroso di una forma di rottura della simmetria di Lorentz, confermando ancora una volta la validità della simmetria relativistica spazio-temporale di Einstein", ha affermato il Prof. BI Xiaojun, uno degli autori corrispondenti dell'articolo. Il Prof. BI è uno scienziato presso l'Istituto di Fisica delle Alte Energie e un membro della collaborazione LHAASO.
Qual è il rapporto tra la simmetria di Lorentz e la teoria della relatività?
La teoria della relatività di Einstein, pietra angolare della fisica moderna, richiede che le leggi fisiche abbiano una simmetria di Lorentz. Negli oltre 100 anni da quando Einstein propose la sua teoria della relatività, la validità della simmetria di Lorentz è stata sottoposta a numerosi test sperimentali.
Tuttavia, esiste una contraddizione inconciliabile tra la relatività generale, che descrive la gravità, e la meccanica quantistica, che descrive le leggi del mondo microscopico. Al fine di unificare la relatività generale e la meccanica quantistica, i fisici teorici hanno compiuto sforzi incessanti e hanno sviluppato teorie come la teoria delle stringhe e la teoria della gravità quantistica ad anello. Queste teorie prevedono che è probabile che la simmetria di Lorentz venga interrotta a energie molto elevate, il che significa che potrebbe essere necessario modificare la relatività a energie elevate.
Pertanto, è fondamentale testare la teoria della relatività e sviluppare leggi più fondamentali della fisica cercando segnali di rottura della simmetria di Lorentz. Tuttavia, secondo queste teorie, l'effetto della rottura della simmetria di Lorentz è significativo solo alla cosiddetta scala energetica di Planck, che arriva fino a 1019 GeV (1 GeV = 1 miliardo di elettronvolt).
Poiché gli acceleratori artificiali possono raggiungere solo circa 104 GeV, gli effetti della rottura della simmetria di Lorentz sono troppo deboli per essere testati in laboratorio. Ma ci sono processi astrofisici molto violenti nell'universo in cui le particelle possono essere accelerate a energie molto più elevate di quelle che possono raggiungere gli acceleratori artificiali. Pertanto, le osservazioni astrofisiche sono un laboratorio naturale per cercare gli effetti della rottura della simmetria di Lorentz.
LHAASO è un esperimento di raggi cosmici su larga scala in Cina. Durante il processo di costruzione nel 2021, LHAASO ha registrato l'evento di raggi gamma di energia più alta al mondo, con la sua energia fino a 1.4 PeV (1 PeV = 1015 elettronvolt). Oltre a stabilire un record mondiale, ha anche fornito una preziosa opportunità per esplorare le leggi di base della fisica, come la simmetria di Lorentz.
La rottura della simmetria di Lorentz può far sì che i fotoni ad alta energia diventino instabili, decadendo rapidamente in una coppia elettrone-positrone o in tre fotoni. "In altre parole, i fotoni ad alta energia scompaiono automaticamente durante il loro viaggio verso la Terra se la simmetria di Lorentz viene interrotta, il che implica che lo spettro di energia che abbiamo misurato dovrebbe essere troncato a una particolare energia", ha affermato il prof. BI.
I dati di LHAASO mostrano che l'attuale spettro dei raggi gamma continua ad alte energie al di sopra del PeV e non è stata trovata alcuna scomparsa "misteriosa" di eventi di raggi gamma ad alta energia. Questo risultato mostra che la simmetria di Lorentz è ancora mantenuta quando ci si avvicina alla scala energetica di Planck.
Riferimento: "Esplorare la violazione dell'invarianza di Lorentz da energia ultraelevata? Raggi osservati da LHAASO” di Zhen Cao et al. (Collaborazione LHAASO), 3 febbraio 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.051102
