I ricercatori dell'Istituto di fisica delle alte energie dell'Accademia cinese delle scienze hanno studiato la validità della teoria della relatività con la massima precisione in uno studio intitolato Investigation of Lorentz Invariance Violation in Superhigh-Energy γ Rays Observed by LHAASO, che è stato pubblicato in Physical Lettere di revisione.
Secondo la teoria della relatività di Einstein, la velocità massima nell'universo è la velocità della luce. Se questo limite è violato può essere verificato esaminando la rottura della simmetria di Lorentz o la rottura dell'invarianza di Lorentz.
Utilizzando i raggi gamma di energia più alta del mondo osservati dalla collaborazione LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory), un esperimento di raggi cosmici su larga scala a Daocheng, nella provincia di Sichuan, in Cina, abbiamo testato la simmetria lorentziana. Il risultato migliora la scala dell'energia di simmetria distruttiva di un fattore dieci rispetto al miglior risultato precedente. Questa è la verifica più rigorosa della forma di rottura della simmetria lorentziana, confermando ancora una volta la validità della simmetria relativistica spazio-temporale di Einstein", ha affermato il professor Bi Xiaojun, uno degli autori dell'articolo.
Qual è il rapporto tra la simmetria di Lorentz e la teoria della relatività? La teoria della relatività di Einstein, pietra angolare della fisica moderna, richiede che le leggi fisiche abbiano una simmetria lorentziana. Negli oltre 100 anni trascorsi da quando Einstein propose la sua teoria della relatività, la validità della simmetria di Lorentz è stata sottoposta a numerosi test sperimentali.
Tuttavia, esiste una contraddizione insolubile tra la teoria generale della relatività, che descrive la gravità, e la meccanica quantistica, che descrive le leggi del mondo quantistico.
Per unificare la relatività generale e la meccanica quantistica, i fisici teorici hanno compiuto grandi sforzi e sviluppato teorie come la teoria delle stringhe e la teoria quantistica ad anello della gravità.
Queste teorie prevedono che è probabile che la simmetria di Lorentz venga interrotta a energie molto elevate, il che significa che potrebbe essere necessaria una modifica della teoria della relatività ad alte energie.
Pertanto, è fondamentale testare la teoria della relatività e sviluppare leggi più fondamentali della fisica cercando segnali di rottura della simmetria lorentziana. Tuttavia, secondo queste teorie, l'effetto di rottura della simmetria lorentziana è significativo solo sulla cosiddetta scala energetica di Planck, che arriva fino a 1019 GeV (1 GeV = 1 miliardo di elettronvolt).
Poiché i moderni acceleratori possono raggiungere solo circa 104 GeV, gli effetti della rottura della simmetria di Lorentz sono troppo deboli per essere testati in laboratorio.
Ma nell'Universo avvengono processi astrofisici molto potenti, quando le particelle possono essere accelerate a energie molto superiori a quelle che possono essere raggiunte dagli acceleratori artificiali. Pertanto, le osservazioni astrofisiche sono un laboratorio naturale per la ricerca degli effetti della rottura della simmetria lorentziana.
LHAASO è un esperimento di raggi cosmici su larga scala in Cina. In costruzione nel 2021, LHAASO ha registrato l'evento di raggi gamma di energia più alta al mondo con energie superiori a 100 TeV, con un'energia massima del fotone che raggiunge 1,4 PeV (1 PeV = 1015 elettronvolt). Contemporaneamente alla definizione del record mondiale, ha anche fornito una preziosa opportunità per studiare le leggi di base della fisica come la simmetria di Lorentz.
La rottura della simmetria di Lorentz può far sì che i fotoni ad alta energia diventino instabili, decadendo rapidamente in una coppia elettrone-positrone o tre fotoni.
In altre parole, i fotoni ad alta energia scompaiono automaticamente mentre si dirigono verso la Terra se la simmetria di Lorentz viene interrotta, il che significa che lo spettro di energia che abbiamo misurato deve essere troncato a una certa energia", ha affermato il professor Bi Xiaojun.
I dati LHAASO mostrano che l'attuale spettro dei raggi gamma continua ad alte energie al di sopra del PeV e non è stata trovata alcuna misteriosa scomparsa di eventi di raggi gamma ad alta energia.
Il risultato ottenuto mostra che la simmetria di Lorentz è ancora preservata quando ci si avvicina alla scala energetica di Planck. Il lavoro è almeno un ordine di grandezza migliore rispetto alle misurazioni precedenti.
Lo studio è stato pubblicato su:
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
Autore: Vitalii Babkin