Дослідники з Інституту фізики високих енергій Китайської академії наук перевірили справедливість теорії відносності з найвищим точність у дослідженні під назвою «Дослідження порушення інваріантності Лоренца від надвисоких енергетичних променів, які спостерігаються LHAASO», яке було опубліковано в останньому номері журналу Physical Review Letters,.
Відповідно до теорії відносності Ейнштейна, найшвидша швидкість матерії у Всесвіті - це швидкість світла. Чи є ця межа порушеною, можна перевірити, дослідивши порушення симетрії Лоренца або порушення інваріантності Лоренца.
Велика висотна обсерваторія повітряного дощу (LHAASO) — це обсерваторія гамма- та космічних променів у Китаї, яка призначена для спостереження повітряних дощів, викликаних гамма-променями та космічними променями.
«Використовуючи найвищу у світі енергію гамма-променів, які спостерігала Велика висотна обсерваторія повітряного дощу (LHAASO), широкомасштабний експеримент космічних променів у Даочен, провінція Сичуань, Китай, ми перевірили симетрію Лоренца. Результат покращує шкалу енергії порушення симетрії Лоренца в десятки разів порівняно з попереднім найкращим результатом. Це найсуворіший тест форми порушення симетрії Лоренца, який ще раз підтверджує справедливість релятивістської просторово-часової симетрії Ейнштейна», – сказав професор Б.І. Професор Б.І. – науковець Інституту фізики високих енергій та член колаборації LHAASO.
Який зв’язок між симетрією Лоренца і теорією відносності?
Теорія відносності Ейнштейна, наріжний камінь сучасної фізики, вимагає, щоб фізичні закони мали лоренцову симетрію. За понад 100 років з тих пір, як Ейнштейн запропонував свою теорію відносності, достовірність симетрії Лоренца пройшла численні експериментальні перевірки.
Однак існує непримиренне протиріччя між загальною теорією відносності, яка описує гравітацію, і квантовою механікою, яка описує закони мікроскопічного світу. Щоб об’єднати загальну теорію відносності і квантову механіку, фізики-теоретики докладали невпинних зусиль і розробили такі теорії, як теорія струн і петлева теорія квантової гравітації. Ці теорії передбачають, що симетрія Лоренца, ймовірно, буде порушена при дуже високих енергіях, а це означає, що при високих енергіях може знадобитися модифікація теорії відносності.
Тому дуже важливо перевірити теорію відносності та розробити більш фундаментальні закони фізики, шукаючи сигнали порушення симетрії Лоренца. Однак, згідно з цими теоріями, ефект порушення симетрії Лоренца є значущим лише на так званій шкалі енергії Планка, яка становить до 1019 ГеВ (1 ГеВ = 1 мільярд електрон-вольт).
Оскільки штучні прискорювачі можуть досягати лише приблизно 104 ГеВ, ефекти порушення симетрії Лоренца занадто слабкі, щоб їх можна було перевірити в лабораторіях. Але у Всесвіті відбуваються дуже бурхливі астрофізичні процеси, коли частинки можуть бути прискорені до енергій, набагато вищих, ніж досягають штучні прискорювачі. Тому астрофізичні спостереження є природною лабораторією для пошуку ефектів порушення симетрії Лоренца.
LHAASO — це масштабний експеримент космічних променів у Китаї. Під час будівництва в 2021 році LHAASO зафіксував найвищу у світі подію гамма-променів з її енергією до 1.4 ПеВ (1 ПеВ = 1015 електрон-вольт). У той же час, як і встановлення світового рекорду, це також дало цінну можливість для вивчення основних законів фізики, таких як симетрія Лоренца.
Порушення симетрії Лоренца може призвести до того, що фотони високої енергії стають нестабільними, швидко розпадаючись на пару електрон-позитрон або на три фотони. «Іншими словами, фотони високої енергії автоматично зникають під час їхньої подорожі до Землі, якщо порушується симетрія Лоренца, що означає, що енергетичний спектр, який ми виміряли, має бути скорочений при певній енергії», – сказав професор Б.І.
Дані LHAASO показують, що поточний спектр гамма-променів продовжує зростати до високих енергій вище PeV, і не було виявлено жодного «таємничого» зникнення будь-яких високоенергетичних подій гамма-променів. Цей результат показує, що симетрія Лоренца все ще зберігається при наближенні до шкали енергії Планка.
Довідка: «Дослідження порушення інваріантності Лоренца від надвисокої енергії? Промені, які спостерігає LHAASO» Чжен Цао та ін. (LHAASO Collaboration), 3 лютого 2022 р., Physical Review Letters,.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.051102
