La Teoría de la Relatividad de Einstein pasa una prueba estricta basada en la observación de LHAASO


Investigadores del Instituto de Física de Altas Energías de la Academia de Ciencias de China examinaron la validez de la teoría de la relatividad con la mayor precisión en un estudio titulado «Exploring Lorentz Invariance Violation from Ultrahigh-Energy γRays Observed by LHAASO», que se publicó en la revista último número de Physical Review Letters.

Según la teoría de la relatividad de Einstein, la velocidad más rápida de la materia en el Universo es la velocidad de la luz. Si ese límite es infringible se puede probar examinando la ruptura de la simetría de Lorentz o la violación de la invariancia de Lorentz.

«Usando los rayos gamma de mayor energía del mundo observados por el Observatorio de duchas de aire de gran altitud (LHAASO), un experimento de rayos cósmicos a gran escala en Daocheng, provincia de Sichuan, China, probamos la simetría de Lorentz. El resultado mejora la escala de energía de ruptura de Simetría de Lorentz por docenas de veces en comparación con el mejor resultado anterior. Esta es la prueba más rigurosa de una forma de ruptura de la simetría de Lorentz, lo que confirma una vez más la validez de la simetría relativista del espacio-tiempo de Einstein «, dijo el profesor Bi Xiaojun, uno de los miembros del artículo. autores correspondientes. El Prof. BI es científico del Instituto de Física de Alta Energía y miembro de la colaboración LHAASO.

¿Cuál es la relación entre la simetría de Lorentz y la teoría de la relatividad?

La teoría de la relatividad de Einstein, la piedra angular de la física moderna, requiere que las leyes físicas tengan simetría de Lorentz. En los más de 100 años desde que Einstein propuso su teoría de la relatividad, la validez de la simetría de Lorentz ha sido objeto de numerosas pruebas experimentales.

Sin embargo, existe una contradicción irreconciliable entre la relatividad general, que describe la gravedad, y la mecánica cuántica, que describe las leyes del mundo microscópico. Para unificar la relatividad general y la mecánica cuántica, los físicos teóricos han realizado esfuerzos incansables y han desarrollado teorías como la teoría de cuerdas y la teoría de la gravedad cuántica de bucles. Estas teorías predicen que es probable que la simetría de Lorentz se rompa a energías muy altas, lo que significa que es posible que sea necesario modificar la relatividad a energías altas.

Por lo tanto, es crucial probar la teoría de la relatividad y desarrollar leyes más fundamentales de la física buscando señales de ruptura de la simetría de Lorentz. Sin embargo, según estas teorías, el efecto de la ruptura de la simetría de Lorentz solo es significativo en la llamada escala de energía de Planck, que es de hasta 1019 GeV (1 GeV = mil millones de electronvoltios).

Dado que los aceleradores artificiales solo pueden alcanzar unos 104 GeV, los efectos de la ruptura de la simetría de Lorentz son demasiado débiles para probarlos en laboratorios. Pero hay procesos astrofísicos muy violentos en el universo donde las partículas pueden acelerarse a energías mucho más altas que las que pueden alcanzar los aceleradores hechos por el hombre. Por lo tanto, las observaciones astrofísicas son un laboratorio natural para buscar los efectos de la ruptura de la simetría de Lorentz.

LHAASO es un experimento de rayos cósmicos a gran escala en China. Durante el proceso de construcción en 2021, LHAASO registró el evento de rayos gamma de mayor energía del mundo, con una energía de hasta 1,4 PeV (1 PeV = 1015 electronvoltios). Al mismo tiempo que estableció un récord mundial, también brindó una valiosa oportunidad para explorar las leyes básicas de la física, como la simetría de Lorentz.

La ruptura de la simetría de Lorentz puede hacer que los fotones de alta energía se vuelvan inestables, decayendo rápidamente en un par electrón-positrón o en tres fotones. «En otras palabras, los fotones de alta energía desaparecen automáticamente en su viaje a la Tierra si se rompe la simetría de Lorentz, lo que implica que el espectro de energía que medimos debe truncarse en una energía particular», dijo el profesor Bi.

Los datos de LHAASO muestran que el espectro de rayos gamma actual continúa a altas energías por encima de PeV, y no se ha encontrado ninguna desaparición «misteriosa» de ningún evento de rayos gamma de alta energía. Este resultado muestra que la simetría de Lorentz aún se mantiene al acercarse a la escala de energía de Planck.

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