LHAASO实验发现来自宇宙的最高能量光子

来源：现代物理知识杂志

作者：李成翊1 马伯强2

1.北京大学理论物理研究所博士研究生; 2. 北京大学物理学院理论物理长江特聘教授

北京时间2021年5月17日，中国高海拔宇宙线观测站（LHAASO）合作组在国际顶尖期刊《自然》发表文章，宣布发现首批“拍电子伏宇宙线加速器”和最高能量宇宙光子，其能量超过拍电子伏特（PeV，即千万亿电子伏特）量级，开启了超高能伽马天文学的新时代。该发现不仅对人们理解宇宙线起源具有重要意义，也为检验基础物理学的理论及概念提供了很好的机会。本文简要介绍LHAASO的最新观测结果，并指出该结果对检验爱因斯坦狭义相对论的基本假设——洛伦兹不变性的重要价值。

2021年5月17日，中国高海拔宇宙线观测站（LHAASO）合作组在英国《自然》杂志发表题为 “Ultrahigh-energy photons up to 1.4 petaelectronvolts from 12 γ-ray Galactic sources”的文章，报道了实验组的科学家们在银河系内发现的来自十二个伽马射线源的超过530个超高能光子事件，也就是能量在一百万亿电子伏特以上的光子事例。光子能量最高达到一千四百万亿电子伏特（即1.4×1015 eV，或1.4 PeV）。这是人类目前探测到的来自宇宙的最高能量的伽马射线，也标志着超高能伽马天文时代的来临。这一观测结果不仅有助于揭开宇宙线起源的世纪之谜，也为基础物理和新物理研究提供了前所未有的机遇。

01捕捉“天外来客”的高原“天网”——拉索

此次发布结果的高海拔宇宙线实验室LHAASO（中文名称“拉索”）是我国“十二五”期间立项建立的重大科技基础设施，它位于四川省甘孜藏族自治州稻城县的海子山上，海拔4410米，是世界同类科学装置中灵敏度最高的超高能伽马射线和宇宙线探测器。LHAASO由三类探测阵列组成，分别为覆盖1.3平方公里面积的5216个电磁粒子探测器和灵敏面积四万多平方米的缪子探测器阵列（即平方公里阵列）、有效面积七万多平方米的水切伦科夫光探测器阵列和十八台大气广角切伦科夫望远镜阵列，总占地面积达到1.36平方公里。在LHAASO现有的这三个子阵列中，平方公里阵列主要用于测量十万亿电子伏特以上的宇宙伽马射线，其主体工程从2017年11月开工建设，到2019年年底已经完成超一半规模的设施建造，并及时投入了试运行。整个设施在历时四年的建造后，于2021年7月竣工，并于同年10月通过了工艺验收，正式投入全阵列科学运行，并入选中科院“十三五”科技创新成就展。此次LHAASO发表于《自然》的突破性观测结果是合作组科学家基于平方公里阵列在试运行阶段获取的数据分析得到的。

图1. 从空中鸟瞰中国第三代高山宇宙线实验室——高海拔宇宙线观测站（LHAASO，拉索；摄于2021年8月）。2021年10月通过工艺验收的LHAASO进入全阵列运行阶段，不断接收来自宇宙深处的高能粒子，助力科学家破解宇宙线起源的世纪谜题。

02

拉索发现最高能的“天外来客”——1.4 PeV宇宙光子

在文章中，LHAASO合作组报道了银河系内的十二个辐射能量高于十万亿电子伏特的伽马射线源，且观测显著性均超过7倍标准偏差，足以显示出这些观测结果的可靠性。对于其中的两个射线源，LHAASO探测器观测到的伽马光子的最大能量超过了0.8 PeV，而此次探测到的最高能量的光子来源于标记为LHAASO J2032+4102的辐射源（见图2），对应于天鹅座内非常活跃的恒星形成区，光子能量最高达到1.4 PeV。这是人类迄今观测到的最高能量光子，同时也是首次在天鹅座区域发现PeV伽马光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知，也揭示了银河系内普遍存在超高能宇宙线加速器的事实。LHAASO的这一观测结果一经发表，便引起了国内外学界的广泛关注和讨论。相关成果先后于2022年1月11日入选中科院2021年度科技创新亮点成果，于1月18日入选成为由中国科学院和中国工程院（简称两院）院士评选的2021年度国内十大科技进展新闻之一，有关消息经新闻媒体广泛报道后，在社会上产生了强烈反响，使公众得以进一步了解我国科学家在探索极端宇宙方面取得的这项重大科学成果。此外，值得一提的是，在LHAASO实验组发表的文章中，除蟹状星云外并未明确指出探测到的其他十一个伽马辐射源所对应的候选天体，因此这些高能伽马光子的起源问题还有待未来的研究进一步揭示。

图2. 2021年5月17日LHAASO实验组在《自然》杂志报道了人类有史以来观测到的最高能量的宇宙伽马射线，这些“天外来客”来自分布在银盘面附近的十二个伽马射线源（橙红色圆点）。这些高能伽马光子进入地球大气后便会发生簇射，产生一系列次级粒子，并最终被LHAASO望远镜观测到。

03

从“天外来客”窥探宇宙奥秘

此次LHAASO对超高能宇宙光子的探测具有十分重要的科学意义。由于宇宙线是来自外太空的高能粒子，通过观测这些“天外来客”，人们可以分析它所携带的信息，比如其产生地“源”天体以及传播路径上的宇宙空间信息。这些信息将有助于人类理解高能粒子的宇宙学起源以及它们在宇宙极端区域的加速机制，甚至有望一窥天体演化及宇宙早期历史的奥秘。因此这些高能粒子往往被物理学家认为是理解宇宙的探针。此外，这些来自宇宙的高能伽马光子也能够为我们检验基础物理理论乃至探测新物理提供很好的机会。由于人类在地球上建造的粒子加速器目前只能将基本粒子加速到十万亿电子伏特左右的能量，而宇宙中发生的一些高能天文过程却可以产生更高能量的宇宙线粒子，因此LHAASO的观测结果将有助于人们开展新物理前沿的研究，尤其是检验和探索洛伦兹不变性破缺方面的物理。

在爱因斯坦的狭义相对论中，洛伦兹不变性（或洛伦兹对称性）作为一个基本假定，其意义在于惯性系在洛伦兹变换下物理规律的不变性。它也是现代粒子物理标准模型的基本对称性。由于标准模型不能描述引力的行为，所以人们需要将描述亚原子领域的量子理论和描述引力的广义相对论统一起来，构造所谓的量子引力理论。然而一些量子引力模型预言在普朗克尺度上洛伦兹不变性可能不再成立，即出现所谓的洛伦兹不变性破缺。这种对称性的破缺会在我们所处的低能世界中产生可观测的微小效应，比如真空光速的改变、光子衰变的发生以及双光子湮灭到正负电子对过程的阈能量“反常”等等。这些新物理现象往往难以在地面实验室中进行检验，于是一些高能天体物理过程就成为检验洛伦兹破坏的绝佳平台。

图3. 量子引力是试图统一爱因斯坦引力与量子力学的理论方案，其中对经典引力的量子修正可以用圈图表示（白色线条）。在一些量子引力理论中，粒子物理标准模型的许多对称性都只是低能下的近似对称性，比如爱因斯坦相对论的基本假定——洛伦兹对称性，它在量子引力中可能不再成立。

04

拉索实验助力新物理研究

借助此次LHAASO探测到的迄今为止最高能量的宇宙光子，一些最新的研究试图对洛伦兹不变性破缺做出更高精度的检验或限制。特别地，LHAASO合作组在其近期发表于《物理评论快报》的一项研究中对超光速型的洛伦兹破缺导致的光子衰变过程（即光子衰变到一对正负电子或衰变到三个伽马光子）进行了细致分析，并将洛伦兹对称性破缺的能量标度提高了约十倍。这是当前对这一类洛伦兹对称性的最严格检验，也在一定程度上再次验证了爱因斯坦相对论的时空对称性。本文作者在工作中也同样指出，LHAASO观测到的这些超高能光子有望助力洛伦兹不变性检验方面的研究。结果显示，LHAASO对1.4 PeV光子事例的探测将导致对超光速型的线性洛伦兹破缺能标的限制被提高到约2.7×1024 GeV，超出普朗克能标（约1019 GeV）大约五个量级（与其他工作所得结论类似），进而可以对预言超光速光子传播的理论模型做出更强的限制。这些结果进一步排除了洛伦兹对称性存在破缺的可能。

不过，上述结果并没有限制所谓的亚光速型的洛伦兹不变性破坏，也就是高能光子在真空中的传播速度略小于低能光子的图景。事实上，结合先前基于伽马射线暴光子到达时间延迟的分析，我们在研究中建议LHAASO对超高能伽马光子的观测有可能支持一个亚光速型的洛伦兹破缺。我们还提议在未来进一步搜寻来自银河系外的PeV宇宙光子，以此作为对我们建议的亚光速洛伦兹不变性破缺的一个重要检验。此外，我们指出当前光子部分洛伦兹破缺的诸多唯象观察，包括上述LHAASO实验给出的最新结果，都可以在一种以弦理论为基础的时空泡沫模型中得到理解。这类模型预言微小尺度下的时空不再光滑，而是呈现由量子引力效应导致的随机“泡沫状” 涨落。泡沫化的量子时空在局域上破缺严格的洛伦兹对称性，从而对光子在真空中的传播产生影响。研究表明，这类理论能很好地匹配LHAASO关于PeV光子的观测结果。借助LHAASO丰富的观测数据，人们有望对时空洛伦兹对称性做出更加严格的检验，同时也有可能对某些量子引力模型给予支持，正如我们在相关研究中所揭示的那样。

图4. 在狭义相对论中，光子总是以相同的速度（即真空光速）传播，并遵循相同的物理规律。然而一些弦理论模型预言在细小的尺度上，时空本身充满量子引力涨落。这些“时空泡沫”会减慢波长较短的高能量光子（酒红色圆点）的传播速度，使得真空光速与光的能量或频率相关，而非一个常数。

05

被寄予厚望的拉索——梦寐以求的大统一

相信在不远的将来，我国的LHAASO宇宙线实验站会源源不断地探测到更丰富的高能天文现象。这些观测将能够为人们破解宇宙线起源、探索普朗克尺度的洛伦兹不变性等方面的物理提供全新的视角，并取得开拓性的进展，也有望揭示量子引力的重要性质，为人类最终走向物理学的大统一做出贡献。

有关本文更为详细的版本已在《现代物理知识》2022年第1期上发表。经作者授权与同意，编辑部特将文章的简化版本发布与各位朋友共飨LHAASO实验突破性观测结果带来的物理盛宴。

编辑：YWA

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编辑：薛定谔的薛定谔