李成翊1馬伯強2
1.北京大學理論實體研究所博士研究所學生;2. 北京大學實體學院理論實體長江特聘教授
中原標準時間2021年5月17日，中國高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）合作組在國際頂尖期刊《自然》發表文章，宣布發現首批“拍電子伏宇宙線加速器”和最高能量宇宙光子，其能量超過拍電子伏特（PeV，即千萬億電子伏特）量級，開啟了超高能伽馬天文學的新時代。該發現不僅對人們了解宇宙線起源具有重要意義，也為檢驗基礎實體學的理論及概念提供了很好的機會。本文簡要介紹LHAASO的最新觀測結果，并指出該結果對檢驗愛因斯坦狹義相對論的基本假設——洛倫茲不變性的重要價值。
2021年5月17日，中國高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）合作組在英國《自然》雜志發表題為 “Ultrahigh-energy photons up to 1.4 petaelectronvolts from 12γ-ray Galactic sources”的文章，報道了實驗組的科學家們在銀河系内發現的來自十二個伽馬射線源的超過530個超高能光子事件，也就是能量在一百萬億電子伏特以上的光子事例。光子能量最高達到一千四百萬億電子伏特（即1.4×1015eV，或1.4 PeV）。這是人類目前探測到的來自宇宙的最高能量的伽馬射線，也标志着超高能伽馬天文時代的來臨。這一觀測結果不僅有助于揭開宇宙線起源的世紀之謎，也為基礎實體和新實體研究提供了前所未有的機遇。
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捕捉“天外來客”的高原“天網”——拉索
此次釋出結果的高海拔宇宙線實驗室LHAASO（中文名稱“拉索”）是大陸“十二五”期間立項建立的重大科技基礎設施，它位于四川省甘孜藏族自治州稻城縣的海子山上，海拔4410米，是世界同類科學裝置中靈敏度最高的超高能伽馬射線和宇宙線探測器。LHAASO由三類探測陣列組成，分别為覆寫1.3平方公裡面積的5216個電磁粒子探測器和靈敏面積四萬多平方米的缪子探測器陣列（即平方公裡陣列）、有效面積七萬多平方米的水切倫科夫光探測器陣列和十八台大氣廣角切倫科夫望遠鏡陣列，總占地面積達到1.36平方公裡。在LHAASO現有的這三個子陣列中，平方公裡陣列主要用于測量十萬億電子伏特以上的宇宙伽馬射線，其主體工程從2017年11月開工建設，到2019年年底已經完成超一半規模的設施建造，并及時投入了試運作。整個設施在曆時四年的建造後，于2021年7月竣工，并于同年10月通過了工藝驗收，正式投入全陣列科學運作，并入選中科院“十三五”科技創新成就展。此次LHAASO發表于《自然》的突破性觀測結果是合作組科學家基于平方公裡陣列在試運作階段擷取的資料分析得到的。
圖1.從空中鳥瞰中國第三代高山宇宙線實驗室——高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，拉索；攝于2021年8月）。2021年10月通過工藝驗收的LHAASO進入全陣列運作階段，不斷接收來自宇宙深處的高能粒子，助力科學家破解宇宙線起源的世紀謎題。
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拉索發現最高能的“天外來客”——1.4 PeV宇宙光子
在文章中，LHAASO合作組報道了銀河系内的十二個輻射能量高于十萬億電子伏特的伽馬射線源，且觀測顯著性均超過7倍标準偏差，足以顯示出這些觀測結果的可靠性。對于其中的兩個射線源，LHAASO探測器觀測到的伽馬光子的最大能量超過了0.8 PeV，而此次探測到的最高能量的光子來源于标記為LHAASO J2032+4102的輻射源（見圖2），對應于天鵝座内非常活躍的恒星形成區，光子能量最高達到1.4 PeV。這是人類迄今觀測到的最高能量光子，同時也是首次在天鵝座區域發現PeV伽馬光子，突破了人類對銀河系粒子加速的傳統認知，也揭示了銀河系内普遍存在超高能宇宙線加速器的事實。LHAASO的這一觀測結果一經發表，便引起了國内外學界的廣泛關注和讨論。相關成果先後于2022年1月11日入選中科院2021年度科技創新亮點成果，于1月18日入選成為由中國科學院和中國工程院（簡稱兩院）院士評選的2021年度國内十大科技進展新聞之一，有關消息經新聞媒體廣泛報道後，在社會上産生了強烈反響，使公衆得以進一步了解大陸科學家在探索極端宇宙方面取得的這項重大科學成果。此外，值得一提的是，在LHAASO實驗組發表的文章中，除蟹狀星雲外并未明确指出探測到的其他十一個伽馬輻射源所對應的候選天體，是以這些高能伽馬光子的起源問題還有待未來的研究進一步揭示。
圖2. 2021年5月17日LHAASO實驗組在《自然》雜志報道了人類有史以來觀測到的最高能量的宇宙伽馬射線，這些“天外來客”來自分布在銀盤面附近的十二個伽馬射線源（橙紅色圓點）。這些高能伽馬光子進入地球大氣後便會發生簇射，産生一系列次級粒子，并最終被LHAASO望遠鏡觀測到。
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從“天外來客”窺探宇宙奧秘
此次LHAASO對超高能宇宙光子的探測具有十分重要的科學意義。由于宇宙線是來自外太空的高能粒子，通過觀測這些“天外來客”，人們可以分析它所攜帶的資訊，比如其産生地“源”天體以及傳播路徑上的宇宙空間資訊。這些資訊将有助于人類了解高能粒子的宇宙學起源以及它們在宇宙極端區域的加速機制，甚至有望一窺天體演化及宇宙早期曆史的奧秘。是以這些高能粒子往往被實體學家認為是了解宇宙的探針。此外，這些來自宇宙的高能伽馬光子也能夠為我們檢驗基礎實體理論乃至探測新實體提供很好的機會。由于人類在地球上建造的粒子加速器目前隻能将基本粒子加速到十萬億電子伏特左右的能量，而宇宙中發生的一些高能天文過程卻可以産生更高能量的宇宙線粒子，是以LHAASO的觀測結果将有助于人們開展新實體前沿的研究，尤其是檢驗和探索洛倫茲不變性破缺方面的實體。
在愛因斯坦的狹義相對論中，洛倫茲不變性（或洛倫茲對稱性）作為一個基本假定，其意義在于慣性系在洛倫茲變換下實體規律的不變性。它也是現代粒子實體标準模型的基本對稱性。由于标準模型不能描述引力的行為，是以人們需要将描述亞原子領域的量子理論和描述引力的廣義相對論統一起來，構造所謂的量子引力理論。然而一些量子引力模型預言在普朗克尺度上洛倫茲不變性可能不再成立，即出現所謂的洛倫茲不變性破缺。這種對稱性的破缺會在我們所處的低能世界中産生可觀測的微小效應，比如真空光速的改變、光子衰變的發生以及雙光子湮滅到正負電子對過程的阈能量“反常”等等。這些新實體現象往往難以在地面實驗室中進行檢驗，于是一些高能天體實體過程就成為檢驗洛倫茲破壞的絕佳平台。
圖3.量子引力是試圖統一愛因斯坦引力與量子力學的理論方案，其中對經典引力的量子修正可以用圈圖表示（白色線條）。在一些量子引力理論中，粒子實體标準模型的許多對稱性都隻是低能下的近似對稱性，比如愛因斯坦相對論的基本假定——洛倫茲對稱性，它在量子引力中可能不再成立。
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拉索實驗助力新實體研究
借助此次LHAASO探測到的迄今為止最高能量的宇宙光子，一些最新的研究試圖對洛倫茲不變性破缺做出更高精度的檢驗或限制。特别地，LHAASO合作組在其近期發表于《實體評論快報》的一項研究中對超光速型的洛倫茲破缺導緻的光子衰變過程（即光子衰變到一對正負電子或衰變到三個伽馬光子）進行了細緻分析，并将洛倫茲對稱性破缺的能量标度提高了約十倍。這是目前對這一類洛倫茲對稱性的最嚴格檢驗，也在一定程度上再次驗證了愛因斯坦相對論的時空對稱性。本文作者在工作中也同樣指出，LHAASO觀測到的這些超高能光子有望助力洛倫茲不變性檢驗方面的研究。結果顯示，LHAASO對1.4 PeV光子事例的探測将導緻對超光速型的線性洛倫茲破缺能标的限制被提高到約2.7×1024GeV，超出普朗克能标（約1019GeV）大約五個量級（與其他工作所得結論類似），進而可以對預言超光速光子傳播的理論模型做出更強的限制。這些結果進一步排除了洛倫茲對稱性存在破缺的可能。
不過，上述結果并沒有限制所謂的亞光速型的洛倫茲不變性破壞，也就是高能光子在真空中的傳播速度略小于低能光子的圖景。事實上，結合先前基于伽馬射線暴光子到達時間延遲的分析，我們在研究中建議LHAASO對超高能伽馬光子的觀測有可能支援一個亞光速型的洛倫茲破缺。我們還提議在未來進一步搜尋來自銀河系外的PeV宇宙光子，以此作為對我們建議的亞光速洛倫茲不變性破缺的一個重要檢驗。此外，我們指出目前光子部分洛倫茲破缺的諸多唯象觀察，包括上述LHAASO實驗給出的最新結果，都可以在一種以弦理論為基礎的時空泡沫模型中得到了解。這類模型預言微小尺度下的時空不再光滑，而是呈現由量子引力效應導緻的随機“泡沫狀”漲落。泡沫化的量子時空在局域上破缺嚴格的洛倫茲對稱性，進而對光子在真空中的傳播産生影響。研究表明，這類理論能很好地比對LHAASO關于PeV光子的觀測結果。借助LHAASO豐富的觀測資料，人們有望對時空洛倫茲對稱性做出更加嚴格的檢驗，同時也有可能對某些量子引力模型給予支援，正如我們在相關研究中所揭示的那樣。
圖4.在狹義相對論中，光子總是以相同的速度（即真空光速）傳播，并遵循相同的實體規律。然而一些弦理論模型預言在細小的尺度上，時空本身充滿量子引力漲落。這些“時空泡沫”會減慢波長較短的高能量光子（酒紅色圓點）的傳播速度，使得真空光速與光的能量或頻率相關，而非一個常數。
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被寄予厚望的拉索——夢寐以求的大統一
相信在不遠的将來，大陸的LHAASO宇宙線實驗站會源源不斷地探測到更豐富的高能天文現象。這些觀測将能夠為人們破解宇宙線起源、探索普朗克尺度的洛倫茲不變性等方面的實體提供全新的視角，并取得開拓性的進展，也有望揭示量子引力的重要性質，為人類最終走向實體學的大統一做出貢獻。
有關本文更為詳細的版本已在《現代實體知識》2022年第1期上發表。經作者授權與同意，編輯部特将文章的簡化版本釋出與各位朋友共飨LHAASO實驗突破性觀測結果帶來的實體盛宴。
編輯：YWA