Des chercheurs de l'Institut de physique des hautes énergies de l'Académie chinoise des sciences ont étudié la validité de la théorie de la relativité avec la plus grande précision dans une étude intitulée Investigation of Lorentz Invariance Violation in Superhigh-Energy γ Rays Observed by LHAASO, qui a été publiée dans Physical Lettres de révision.
Selon la théorie de la relativité d'Einstein, la vitesse la plus rapide dans l'univers est la vitesse de la lumière. Si cette limite est violée peut être vérifiée en examinant la rupture de symétrie de Lorentz ou la rupture d'invariance de Lorentz.
En utilisant les rayons gamma les plus énergétiques au monde observés par la collaboration LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory), une expérience à grande échelle sur les rayons cosmiques à Daocheng, dans la province du Sichuan, en Chine, nous avons testé la symétrie lorentzienne. Le résultat améliore l'échelle de l'énergie de symétrie destructive d'un facteur dix par rapport au meilleur résultat précédent. Il s'agit de la vérification la plus rigoureuse de la forme de rupture de la symétrie lorentzienne, confirmant une fois de plus la validité de la symétrie espace-temps relativiste d'Einstein », a déclaré le professeur Bi Xiaojun, l'un des auteurs de l'article.
Quelle est la relation entre la symétrie de Lorentz et la théorie de la relativité ? La théorie de la relativité d'Einstein, pierre angulaire de la physique moderne, exige que les lois physiques aient une symétrie lorentzienne. Au cours des plus de 100 ans qui se sont écoulés depuis qu'Einstein a proposé sa théorie de la relativité, la validité de la symétrie de Lorentz a été soumise à de nombreux tests expérimentaux.
Cependant, il existe une contradiction insoluble entre la théorie de la relativité générale, qui décrit la gravité, et la mécanique quantique, qui décrit les lois du monde quantique.
Pour unifier la relativité générale et la mécanique quantique, les physiciens théoriciens ont fait de grands efforts et développé des théories telles que la théorie des cordes et la théorie quantique des boucles de la gravité.
Ces théories prédisent que la symétrie de Lorentz est susceptible d'être brisée aux très hautes énergies, ce qui signifie qu'une modification de la théorie de la relativité aux hautes énergies peut être nécessaire.
Par conséquent, il est essentiel de tester la théorie de la relativité et de développer des lois plus fondamentales de la physique en recherchant des signaux de rupture de la symétrie lorentzienne. Cependant, selon ces théories, l'effet de brisure de symétrie lorentzienne n'est significatif que sur l'échelle d'énergie dite de Planck, qui va jusqu'à 1019 GeV (1 GeV = 1 milliard d'électronvolts).
Comme les accélérateurs modernes ne peuvent atteindre qu'environ 104 GeV, les effets de la brisure de symétrie de Lorentz sont trop faibles pour être testés en laboratoire.
Mais des processus astrophysiques très puissants ont lieu dans l'Univers, lorsque les particules peuvent être accélérées à des énergies bien supérieures à celles qui peuvent être atteintes par des accélérateurs artificiels. Les observations astrophysiques sont donc un laboratoire naturel pour rechercher les effets de la brisure de symétrie lorentzienne.
LHAASO est une expérience à grande échelle sur les rayons cosmiques en Chine. En construction en 2021, LHAASO a enregistré l'événement de rayons gamma le plus énergétique au monde avec des énergies supérieures à 100 TeV, avec une énergie photonique maximale atteignant 1,4 PeV (1 PeV = 1015 électron-volts). Parallèlement à l'établissement du record du monde, il a également fourni une occasion précieuse d'étudier les lois fondamentales de la physique telles que la symétrie de Lorentz.
La rupture de la symétrie de Lorentz peut rendre les photons de haute énergie instables, se désintégrant rapidement en une paire électron-positon ou en trois photons.
En d'autres termes, les photons de haute énergie disparaissent automatiquement sur leur chemin vers la Terre si la symétrie de Lorentz est brisée, ce qui signifie que le spectre d'énergie que nous avons mesuré doit être tronqué à une certaine énergie », a déclaré le professeur Bi Xiaojun.
Les données LHAASO montrent que le spectre actuel des rayons gamma continue à des énergies élevées au-dessus du PeV et aucune disparition mystérieuse d'événements de rayons gamma à haute énergie n'a été trouvée.
Le résultat obtenu montre que la symétrie de Lorentz est toujours conservée à l'approche de l'échelle d'énergie de Planck. Le travail est au moins un ordre de grandeur meilleur que les mesures précédentes.
L'étude a été publiée dans :
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
Auteur: Vitalii Babkin