摘要 中國高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)探測到了迄今最高能量的宇宙光子，其能量超過拍電子伏特量級，開啓了超高能伽馬天文學的新時代。LHAASO合作組完整記錄了伽馬暴GRB 221009A的全程爆發過程，首次測得來自伽馬暴超出10 TeV的高能光子。這些發現不僅對人們理解宇宙線起源具有重要意義，也爲檢驗相對論並發現新物理提供了很好的契機。文章簡要介紹LHAASO的這些觀測結果，並指出這些結果可在檢驗愛因斯坦狹義相對論中洛倫茲不變性、恒定光速的基本假設，以及探索新物理機制的研究中發揮重要作用。

關鍵詞 中國高海拔宇宙線觀測站，伽馬天文學，宇宙線起源，相對論，軸子

2021年5月，中國高海拔宇宙線觀測站(LHAASO，又稱“拉索”)合作組在《自然》雜志發表文章[1]，報道了實驗組的科學家們在銀河系內發現的來自12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，其中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)。這是人類迄今探測到的來自宇宙的最高能量的伽馬射線，也標志著超高能伽馬天文時代的來臨。2022年10月9日，LHAASO合作組捕捉到來自高亮度伽馬暴GRB 221009A的數萬個能量範圍在幾百GeV (1 GeV=109 eV)到十幾 TeV (1 TeV=1012 eV)的高能光子，並首次測得來自伽馬暴超出10 TeV的高能光子事例[2，3]。這些觀測結果不僅有助于揭開宇宙線起源的世紀之謎，還爲檢驗相對論和探索新物理提供了前所未有的機遇。

高海拔宇宙線實驗室LHAASO[4]是我國“十二五”期間立項建設的重大科技基礎設施，位于四川省甘孜藏族自治州稻城縣的海子山上，海拔4410 m，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平方公裏的5216個電磁粒子探測器和靈敏面積4萬多平方米的缪子探測器陣列(即平方公裏陣列)、有效面積7萬多平方米的水切倫科夫光探測器陣列和18台大氣廣角切倫科夫望遠鏡陣列，總占地面積達到1.36平方公裏。這些探測器的組合使得LHAASO適宜觀測來自宇宙的能量範圍在10 TeV至PeV量級的高能光子，標志著人類邁入超高能伽馬天文時代。

2021年5月，LHAASO合作組[1]報道了銀河系內的12個輻射能量高于十萬億電子伏特的伽馬射線源。對于其中的兩個射線源，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于標記爲LHAASO J2032+4102的輻射源，對應于天鵝座內非常活躍的恒星形成區，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，突破了人們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的這一觀測結果引起了國內外學界的廣泛關注和討論。

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。由于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，比如其産生地“源”天體以及傳播路徑上的宇宙空間信息。這些信息將有助于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曆史的奧秘[4]。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。由于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産生更高能量的宇宙線粒子，因此LHAASO的觀測結果有助于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[5—8]。

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，其意義在于慣性系在洛倫茲變換下物理規律的不變性，這也是現代粒子物理標准模型的基本對稱性。相對論的另外一個基本假設就是光速爲恒定的常數，也就是常說的光速不變性假設。由于標准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産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阈能量“反常”等等[9]。這些新物理現象往往難以在地面實驗室中進行檢驗，于是一些高能天體物理過程就成爲檢驗洛倫茲破缺的絕佳平台。最典型的例子就是檢測高能光子的傳播速度是否與低能光的速度(也就是我們常說的光速)有微小的差別(圖1)。具體來講，高能光子速度稍微超過低能光速的稱爲超光速型洛倫茲破缺，而高能光子速度稍微低于低能光速的稱爲亞光速型洛倫茲破缺。這些高低能光子的非常微小的光速差別難以在地球實驗室內檢測，而通過宇宙學距離長期傳播的積累，來自于宇宙的高低能光子的細微速度差就有可能表現爲可觀的到達時間差而被觀測到[10—14]。

圖1 相對論假設光子總是以相同的速度(即真空光速)傳播，並遵循相同的物理規律。然而一些弦理論模型預言在細小的尺度上，時空本身充滿量子引力漲落。這些“時空泡沫”會減慢波長較短的高能量光子(紅色圓點)的傳播速度，使得真空光速與光的能量或頻率有關，而非一個常數。經過漫長宇宙距離的積累，在源處同時發射的高低能光子到達觀測者時會出現可觀的時間差(圖片來源于NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet)

借助此次LHAASO探測到的迄今爲止最高能量的宇宙光子，一些研究[5—8]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合作組在其發表于《物理評論快報》的一項研究[5]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)進行了細致分析，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。文獻[6,7]中也同樣指出，LHAASO觀測到的這些超高能光子可助力洛倫茲不變性檢驗方面的研究。按照標准模型，高能光子是穩定的，如果允許洛倫茲對稱性破缺，高能光子就可能衰變爲正負電子對或者多個伽馬光子。由測得高能光子的最高能量可以對洛倫茲破缺參數給出約束。結果顯示[6，7]，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，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光子的超光速洛倫茲對稱性存在破缺的可能性。

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缺，也就是高能光子在真空中的傳播速度略小于低能光子的圖景。事實上，結合先前基于伽馬射線暴光子到達時間延遲的分析[10—14]，文獻[6, 7]指出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，這是因爲按照標准模型，能量高于400 TeV的高能光子在宇宙距離的傳播中會與宇宙背景光子發生正負電子湮滅過程而被吸收，因此，LHAASO測得超過1 PeV的極高能光子就是令人驚奇的。但如果允許亞光速的洛倫茲破缺，高能光子與背景光子發生的正負電子湮滅反應會被禁戒，從而可以在宇宙傳播中被觀測到[6，7，15]。爲此，文獻[6, 7, 15]提議在未來進一步搜尋來自銀河系外的PeV宇宙光子，以此作爲對亞光速洛倫茲不變性破缺的一個重要檢驗。此外，目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[16，17]。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産生影響[18]。圈量子引力理論也預言了光子的洛倫茲破缺[19]。研究表明，這類理論能很好地匹配LHAASO關于PeV光子的觀測結果。借助LHAASO豐富的觀測數據，人們可以對時空洛倫茲對稱性做出更加嚴格的檢驗，同時也有望對某些量子引力模型給予支持[6，7，16—19]。

圖2 2022年10月9日，中國“拉索”完整地記錄了迄今最亮伽馬暴GRB221009A高能輻射全過程的示意圖。這次觀測打破了伽馬射線暴光子最高能量、最亮伽馬射線等人類觀測宇宙中伽馬射線暴的多項記錄(圖片來源于LHAASO合作組)

2022年10月9日，史上地球接受亮度最強的伽馬暴GRB221009A被大量伽馬天文觀測設施觀測到(圖2)。LHAASO合作組探測到來自該伽馬暴的數萬個能量在200 GeV以上的高能光子，其中最大能量可接近18 TeV[2，3]。這些觀測結果打破了伽馬射線暴光子最高能量、最亮伽馬射線等人類觀測宇宙中伽馬射線暴的多項記錄。這是國際上首次探測到10 TeV量級的伽馬暴光子，這個結果對研究伽馬暴的高能機制和超出標准模型的新物理提供了契機。根據標准模型，高能光子在宇宙傳播過程中，會與星系間背景光子湮滅生成正負電子對，從而阻止來自遙遠星體超出阈值的高能光子的探測[15]。但洛倫茲破缺使得高能光子與背景光子的湮滅反應被禁戒，從而超出阈值的高能光子也能在宇宙中傳播[15]。文獻[20]在該伽馬暴發生的第二天就根據事先的理論預言[15]和具體數值計算[21]發文分析指出，雖然該伽馬暴的紅移距離屬于偏小的z = 0.1505，但根據標准模型的計算，大于18 TeV的高能光子在傳播過程中就應該被星系間背景光子吸收而不能到達地球，發現來自伽馬暴的超過10 TeV光子就可能意味著洛倫茲對稱性破缺或新物理存在的可能性。因此，LHAASO的伽馬暴數據爲國際同行開展對洛倫茲對稱性破缺和新物理研究提供了新契機。

LHAASO合作組對伽馬暴GRB221009A數據的細致分析表明[4]，測得的最高能量的伽馬光子只能限定在10 TeV以上，由此可以結合其他分析對洛倫茲破缺參數給出比較強的限定[4，22—24]。因此，洛倫茲破缺只是一種微弱的可能性，暗示著也存在其他新物理機制的可能性，類軸子粒子就是其中一種。類軸子粒子是一種假說中存在的極輕的赝標量玻色子，能在磁場中與光子耦合並相互轉化。此性質是在實驗中檢驗類軸子存在的重要探索手段之一，而此前未有確切的實驗證據證明類軸子的存在。

用軸子粒子與光子轉化的機制可以解釋LHAASO觀測到超出10 TeV光子的反常現象[25，26]：在穿過源星系的磁場時，高能光子在磁場作用下轉換爲軸子與光子的混合束，經過星系間區域時，高能光子被銀河外的星系背景光吸收，而對應的軸子不參加與背景光的反應。最終，在穿過銀河系磁場到達地球觀測者之前，軸子可以與銀河系磁場反應轉換爲高能光子，從而能夠被地球上的觀測者觀測到存在10 TeV量級的高能光子。通過對LHAASO實驗數據的細致分析，可以對軸子質量和耦合參數的取值範圍給出進一步的約束[3，26]。

LHAASO的實驗結果不僅可以開展對光子相關的洛倫茲對稱性破缺和新物理的研究，也可以用于開展對其他粒子的洛倫茲破缺研究。例如，LHAASO合作組通過分析來自蟹狀星雲的PeV量級的高能光子，得到了高能光子能量與其産生源處母電子能量之間的關系[27]。由此可以得到，對于1.12 PeV的蟹狀星雲高能光子，其母電子能量高達2.3 PeV。基于這一假設，文獻[28]獲得的對電子超光速線性洛倫茲破壞的約束高達1025 GeV量級。在這一研究基礎上，文獻[29,30]對光子衰變和電子衰變反應開展聯合研究，從而得到了對光子及電子洛倫茲破缺參數的聯合約束。

上面的研究表明，LHAASO合作組的成果爲同行們開展相對論檢驗並探索新物理的各種研究提供了豐富的素材。相信在不遠的將來，我國的LHAASO宇宙線實驗站會源源不斷地探測到更豐富的高能天文現象。這些觀測將能夠爲人們破解宇宙線起源、探索普朗克尺度的洛倫茲不變性及探索新物理機制提供全新的視角，並取得開拓性的進展，爲物理學和天文學的深入發展做出更多的貢獻。

作者：馬伯強

(北京大學物理學院)