严格检验洛伦兹不变性：伽马射线暴加强了对量子引力的约束

洛伦兹不变性是爱因斯坦相对论的基本原则，指出物理定律对于所有观察者都是相同的，无论他们的相对运动如何。这一原则意味着真空中的光速是恒定的，不依赖于光子的能量。然而，一些量子引力理论预测，在极高能量下，光速可能依赖于能量，导致洛伦兹不变性被违反（LIV）。测试这一假设需要观测高能天体物理现象，如伽马射线暴(GRB) 。

伽马射线暴是宇宙中极其明亮的高能爆炸事件，在短时间内释放出大量的伽马射线。由于其极高的亮度和遥远的距离，它们成为了探测基本物理学，包括检验洛伦兹不变性的理想实验室。

如果存在LIV，它可能表现为光速的能量依赖性。从遥远GRB发射的高能光子将根据它们的能量经历不同的传播速度。这可能导致到达地球的不同能量光子之间出现可观测的时间延迟。由于其宽广的能谱和遥远的距离，GRB是测试LIV的理想对象。从暴发中同时发射的光子将在太空中传播数十亿年，即使光速出现微小的偏差，也会导致高能和低能光子到达地球探测器的明显时间延迟。

我国的高海拔宇宙射线观测站（LHAASO）是一个多组件设施，旨在探测各种能量的伽马射线。其水切伦科夫探测器阵列对超高能伽马射线特别敏感，为研究TeV能区的伽马射线天空提供了前所未有的机会。

2022年10月9日观测到的GRB 221009A是一个异常明亮的GRB，为科学家提供了大量分析数据。LHAASO探测到了该暴发的超早期TeV余辉，记录了有史以来从GRB获得的最高TeV能带光子统计量。这一独特的数据集使研究人员能够对LIV进行严格的测试。

LHAASO 合作组利用 GRB 221009A 的观测数据，对光速的能量依赖性进行了严格的约束。通过分析不同能量光子的到达时间，他们可以测试光速是否存在任何偏离预期的恒定值的情况。分析重点关注线性和二次 LIV 效应，这些效应由不同的量子引力理论预测。

LHAASO 观测结果具有突破性意义。95% 置信水平下的量子引力能量尺度下限为：

• 对于线性 LIV 效应：E_{QG,1} > 10×E_{Pl}

• 对于二次 LIV 效应：E_{QG,2} > 6×10^{-8} E_{Pl}

其中，E_{Pl}代表普朗克能量。这些对二次 LIV 情况的限制比之前的最佳限制提高了5到7倍。如此严格的约束显著推进了我们对潜在 LIV 的理解，并为量子引力的性质提供了宝贵的见解。

LHAASO 对 GRB 221009A 的观测结果对理论物理学和未来的天体物理观测具有深远影响。对 LIV 的严格限制挑战了许多现有的量子引力理论，并推动了我们对基本物理学的理解。此外，这些结果强调了高能天体物理现象在测试基本物理原则中的重要性。

总而言之，LHAASO 对 GRB 221009A 的观测代表了寻找洛伦兹不变性违反的一个重要里程碑。通过提供迄今为止对光速能量依赖性的最严格约束，这些观测为量子引力的性质和基本物理定律提供了关键见解。未来对类似高能事件的观测将继续在测试和完善我们对宇宙的理解中发挥重要作用。