北京大学物理学院马伯强研究团队揭示可能的洛伦兹不变性破缺信号——伽马射线暴高能光子挑战时空基本对称性

近日，由北京大学物理学院理论物理研究所博雅特聘教授马伯强主导的团队通过分析伽马射线暴（GRB，以下简称伽马暴）中高能光子与低能光子的时间延迟现象，为检验时空基本对称性（即“洛伦兹不变性”）的破缺提供了迄今最系统的观测信号。该研究不仅更新了洛伦兹不变性破缺的能量尺度测算，更以超过3.1σ的显著性水平对“光速恒定”的传统假设提出挑战，为探索量子引力理论迈出关键一步。该突破性成果以《伽马射线暴的洛伦兹不变性破缺》（“Lorentz Invariance Violation from Gamma-Ray Bursts”）为题，在国际著名期刊《天体物理杂志》（The Astrophysical Journal）发表。

洛伦兹不变性是爱因斯坦狭义相对论的基石，它假设物理规律在所有惯性参考系中保持一致，且真空中的光速为恒定值。然而，许多量子引力理论预言，在极高能量尺度（接近普朗克能量，约10¹⁹GeV）下，时空可能呈现离散性或量子涨落，导致光子传播速度与其能量相关，即产生可观测的“能量依赖的色散效应”——部分理论预言高能光子速度更快，而另一些则预言更慢。伽马暴作为宇宙中最剧烈的爆发现象，其释放的宽能段光子（从keV到TeV）为检验这一效应提供了天然的“高能实验室”。

研究团队整合了费米伽马射线空间望远镜（FGST）、MAGIC大气切伦科夫望远镜及中国“拉索”高海拔宇宙线观测站（LHAASO）的最新观测数据，重点分析了10个伽马暴事件中的17个高能光子，包括：

FGST探测到GRB 221009A事件的99.3GeV光子（迄今FGST记录最高能光子）；

MAGIC捕获GRB 190114C的1.07TeV光子（人类首次在TeV能段探测伽马暴）；

LHAASO在GRB 221009A中记录的12.2TeV光子（人类迄今观测到最高能伽马光子）。

这些跨越4个数量级能量的极端案例为检验光子传播过程中可能存在的洛伦兹对称性破缺提供了独特样本。

研究发现，高能光子普遍比低能光子更晚抵达探测器，这一时间延迟现象与洛伦兹不变性破缺导致高能光子速度更慢的特定理论预言高度吻合。通过构建更新模型，团队测算出洛伦兹不变性破缺的临界能量尺度为3.00×10¹⁷GeV，与先前该团队研究结果（3.60×10¹⁷GeV）一致，但显著提升了数据精度与统计显著性。尤为重要的是，研究以超过3.1σ的置信度（统计学上“较强证据”标准）对“光速恒定”的零假设（即E=pc的色散真空假设）提出了挑战，为探索超出现有物理框架的可能性提供了新的实验线索。

该工作中分析的伽马暴光子分别为FGST的14个光子，FGST的99.3GeV光子，MAGIC的1.07TeV光子和LHAASO的12.2TeV光子。横坐标代表重新标度的伽马暴光子能量，纵坐标代表重新标度的伽马暴光子与低能光子的到达时间差

若洛伦兹不变性破缺被最终证实，这将对相对论的基本框架带来重大挑战，并可能需要对时空性质进行新的理解，为统一量子力学与广义相对论的量子引力理论（如弦理论、圈量子引力）提供关键实验依据。该研究将检验能量尺度推至10¹⁷GeV量级，接近量子引力理论预测的普朗克能区（10¹⁹GeV），标志着人类向“新物理”边疆的深入探索。

该研究联合分析了GeV至TeV能段的多波段光子数据，尤其是LHAASO对GRB 221009A记录的12.2TeV光子，彰显了多国探测器协同观测在极端天体物理研究中的不可替代性。团队开发的伽马暴源光子能量-时间关联模型（Energy-Dependent Emission Model）为后续研究（如利用更高能光子或更远距离爆发）提供工具支持。未来，随着LHAASO和CTA（切伦科夫望远镜阵列）等设备对更多伽马暴数据的探测和获取，有望将检验显著性提升至5σ“黄金标准”，进一步逼近理论真相。

论文通讯作者马伯强表示，这项成果不仅是高能天体物理与基础物理交叉的典范，更揭示了宇宙极端事件作为“天然粒子加速器”的独特价值。尽管3.1σ尚未达到决定性阈值，但它为下一代实验指明了方向——我们可能正站在新物理革命的门口。

该成果由马伯强领导的团队完成，成员包括研究生和本科生。该团队在洛伦兹不变性破缺研究方向深耕10余年，围绕光子、中微子、电子和质子的洛伦兹不变性破缺问题发表了一系列重要论文。此次突破性成果以北京大学物理学院博士生宋翰林为第一作者，他在团队多年积累的基础上，创新引入分析方法并整合最新实验数据，最终实现了理论检验的重大进展。该项研究得到国家自然科学基金重点项目“时空洛伦兹对称性破缺的唯象和理论研究”的资助。