Forscher des Instituts für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften untersuchten die Gültigkeit der Relativitätstheorie mit höchster Präzision in einer Studie mit dem Titel Investigation of Lorentz Invariance Violation in Superhigh-Energy γ Rays Observed by LHAASO, die in Physical veröffentlicht wurde Rezensionsbriefe.
Nach Einsteins Relativitätstheorie ist die schnellste Geschwindigkeit im Universum die Lichtgeschwindigkeit. Ob diese Grenze verletzt wird, kann durch Untersuchung der Lorentz-Symmetriebrechung oder der Lorentz-Invarianzbrechung überprüft werden.
Unter Verwendung der weltweit energiereichsten Gammastrahlen, die von der LHAASO-Kollaboration (Large High Altitude Air Shower Observatory) beobachtet wurden, einem groß angelegten Experiment zur kosmischen Strahlung in Daocheng, Provinz Sichuan, China, testeten wir die Lorentz-Symmetrie. Das Ergebnis verbessert die Skala der destruktiven Symmetrieenergie um den Faktor zehn im Vergleich zum vorherigen besten Ergebnis. Dies ist die rigoroseste Verifizierung der Form der Lorentzschen Symmetriebrechung und bestätigt einmal mehr die Gültigkeit von Einsteins relativistischer Raum-Zeit-Symmetrie“, sagte Professor Bi Xiaojun, einer der Autoren der Veröffentlichung.
Welche Beziehung besteht zwischen der Lorentz-Symmetrie und der Relativitätstheorie? Einsteins Relativitätstheorie, der Eckpfeiler der modernen Physik, verlangt, dass physikalische Gesetze eine Lorentzsche Symmetrie haben. In den mehr als 100 Jahren, die vergangen sind, seit Einstein seine Relativitätstheorie aufgestellt hat, wurde die Gültigkeit der Lorentz-Symmetrie zahlreichen experimentellen Tests unterzogen.
Zwischen der allgemeinen Relativitätstheorie, die die Gravitation beschreibt, und der Quantenmechanik, die die Gesetze der Quantenwelt beschreibt, besteht jedoch ein unlösbarer Widerspruch.
Um die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik zu vereinen, haben theoretische Physiker große Anstrengungen unternommen und Theorien wie die Stringtheorie und die Schleifenquantentheorie der Gravitation entwickelt.
Diese Theorien sagen voraus, dass die Lorentz-Symmetrie wahrscheinlich bei sehr hohen Energien gebrochen wird, was bedeutet, dass eine Modifikation der Relativitätstheorie bei hohen Energien erforderlich sein könnte.
Daher ist es entscheidend, die Relativitätstheorie zu testen und grundlegendere Gesetze der Physik zu entwickeln, indem man nach Signalen sucht, die die Lorentzsche Symmetrie brechen. Nach diesen Theorien ist der Effekt der Lorentzschen Symmetriebrechung jedoch nur auf der sogenannten Planck-Energieskala von Bedeutung, die bis zu 1019 GeV reicht (1 GeV = 1 Milliarde Elektronenvolt).
Da moderne Beschleuniger nur etwa 104 GeV erreichen können, sind die Auswirkungen der Lorentz-Symmetriebrechung zu schwach, um sie im Labor zu testen.
Aber im Universum finden sehr starke astrophysikalische Prozesse statt, wenn Teilchen auf Energien beschleunigt werden können, die viel höher sind als die, die mit künstlichen Beschleunigern erreicht werden können. Daher sind astrophysikalische Beobachtungen ein natürliches Labor für die Suche nach den Auswirkungen der Lorentzschen Symmetriebrechung.
LHAASO ist ein groß angelegtes Experiment zur kosmischen Strahlung in China. LHAASO befindet sich 2021 im Bau und zeichnete das weltweit energiereichste Gammastrahlenereignis mit Energien über 100 TeV auf, wobei die maximale Photonenenergie 1,4 PeV (1 PeV = 1015 Elektronenvolt) erreichte. Gleichzeitig mit dem Weltrekord bot es auch eine wertvolle Gelegenheit, die Grundgesetze der Physik wie die Lorentz-Symmetrie zu studieren.
Das Brechen der Lorentz-Symmetrie kann dazu führen, dass hochenergetische Photonen instabil werden und schnell in ein Elektron-Positron-Paar oder drei Photonen zerfallen.
Mit anderen Worten, hochenergetische Photonen verschwinden automatisch auf ihrem Weg zur Erde, wenn die Lorentz-Symmetrie gebrochen wird, was bedeutet, dass das von uns gemessene Energiespektrum auf eine bestimmte Energie abgeschnitten werden muss“, sagte Professor Bi Xiaojun.
Die LHAASO-Daten zeigen, dass das aktuelle Gammastrahlenspektrum bis zu hohen Energien über PeV reicht und kein mysteriöses Verschwinden von hochenergetischen Gammastrahlenereignissen gefunden wurde.
Das erhaltene Ergebnis zeigt, dass die Lorentz-Symmetrie auch bei Annäherung an die Planck-Energieskala erhalten bleibt. Die Arbeit ist mindestens eine Größenordnung besser als bisherige Messungen.
Die Studie ist erschienen in:
Physical Review Letters. Zhen Cao et al, Exploring Lorentz Invariance Violation from Ultrahigh-Energy γ Rays Observed by LHAASO.
2022-02-18 13:13:17
Autor: Vitalii Babkin