LHAASO實驗發現來自宇宙的最高能量光子

來源：現代物理知識雜誌

北京時間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，宣佈發現首批“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，開啓了超高能伽馬天文學的新時代。該發現不僅對人們理解宇宙線起源具有重要意義，也爲檢驗基礎物理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，並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》雜誌發表題爲 “Ultrahigh-energy photons up to 1.4 petaelectronvolts from 12 γ-ray Galactic sources”的文章，報道了實驗組的科學家們在銀河系內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1.4×1015 eV，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，也標誌着超高能伽馬天文時代的來臨。這一觀測結果不僅有助於揭開宇宙線起源的世紀之謎，也爲基礎物理和新物理研究提供了前所未有的機遇。

捕捉“天外來客”的高原“天網”——拉索

此次發佈結果的高海拔宇宙線實驗室LHAASO（中文名稱“拉索”）是我國“十二五”期間立項建立的重大科技基礎設施，它位於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，分別爲覆蓋1.3平方公里面積的5216個電磁粒子探測器和靈敏面積四萬多平方米的繆子探測器陣列（即平方公里陣列）、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臺大氣廣角切倫科夫望遠鏡陣列，總佔地面積達到1.36平方公里。在LHAASO現有的這三個子陣列中，平方公里陣列主要用於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，並及時投入了試運行。整個設施在歷時四年的建造後，於2021年7月竣工，並於同年10月通過了工藝驗收，正式投入全陣列科學運行，併入選中科院“十三五”科技創新成就展。此次LHAASO發表於《自然》的突破性觀測結果是合作組科學家基於平方公里陣列在試運行階段獲取的數據分析得到的。

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；攝於2021年8月）。2021年10月通過工藝驗收的LHAASO進入全陣列運行階段，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。

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內的十二個輻射能量高於十萬億電子伏特的伽馬射線源，且觀測顯著性均超過7倍標準偏差，足以顯示出這些觀測結果的可靠性。對於其中的兩個射線源，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於標記爲LHAASO J2032+4102的輻射源（見圖2），對應於天鵝座內非常活躍的恆星形成區，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，也揭示了銀河系內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，便引起了國內外學界的廣泛關注和討論。相關成果先後於2022年1月11日入選中科院2021年度科技創新亮點成果，於1月18日入選成爲由中國科學院和中國工程院（簡稱兩院）院士評選的2021年度國內十大科技進展新聞之一，有關消息經新聞媒體廣泛報道後，在社會上產生了強烈反響，使公衆得以進一步瞭解我國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，除蟹狀星雲外並未明確指出探測到的其他十一個伽馬輻射源所對應的候選天體，因此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》雜誌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”來自分佈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，產生一系列次級粒子，並最終被LHAASO望遠鏡觀測到。

從“天外來客”窺探宇宙奧祕

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。由於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信息，比如其產生地“源”天體以及傳播路徑上的宇宙空間信息。這些信息將有助於人類理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歷史的奧祕。因此這些高能粒子往往被物理學家認爲是理解宇宙的探針。此外，這些來自宇宙的高能伽馬光子也能夠爲我們檢驗基礎物理理論乃至探測新物理提供很好的機會。由於人類在地球上建造的粒子加速器目前只能將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產生更高能量的宇宙線粒子，因此LHAASO的觀測結果將有助於人們開展新物理前沿的研究，尤其是檢驗和探索洛倫茲不變性破缺方面的物理。

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）作爲一個基本假定，其意義在於慣性系在洛倫茲變換下物理規律的不變性。它也是現代粒子物理標準模型的基本對稱性。由於標準模型不能描述引力的行爲，所以人們需要將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產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閾能量“反常”等等。這些新物理現象往往難以在地面實驗室中進行檢驗，於是一些高能天體物理過程就成爲檢驗洛倫茲破壞的絕佳平臺。

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，粒子物理標準模型的許多對稱性都只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。

拉索實驗助力新物理研究

藉助此次LHAASO探測到的迄今爲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。特別地，LHAASO合作組在其近期發表於《物理評論快報》的一項研究中對超光速型的洛倫茲破缺導致的光子衰變過程（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，並將洛倫茲對稱性破缺的能量標度提高了約十倍。這是當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光子事例的探測將導致對超光速型的線性洛倫茲破缺能標的限制被提高到約2.7×1024 GeV，超出普朗克能標（約1019 GeV）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，上述結果並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於低能光子的圖景。事實上，結合先前基於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持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，以此作爲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，我們指出當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爲基礎的時空泡沫模型中得到理解。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致的隨機“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，從而對光子在真空中的傳播產生影響。研究表明，這類理論能很好地匹配LHAASO關於PeV光子的觀測結果。藉助LHAASO豐富的觀測數據，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持，正如我們在相關研究中所揭示的那樣。