Согласно сформулированной Альбертом Эйнштейном Специальной теории относительности, физические законы одинаковы во всех системах отсчета, равномерно движущихся друг относительно друга. Кроме того, скорость света является постоянной во всех системах отсчета. Математически переходы между системами отсчета называют преобразованиями Лоренца, а постоянство физических законов относительно таких преобразований.
Фото: Алексей Куденко, Коммерсантъ / купить фото
Фото: Алексей Куденко, Коммерсантъ / купить фото
Такие различные фундаментальные физические теории, как общая теория относительности (описывающая гравитацию) и квантовая теория (описывающая явления в микромире), основаны в том числе на лоренц-инвариантности (ЛИ, эффективная масса фотона).
Одной из задач современной теоретической физики является построение объединенной теории, объединяющей как общую теорию относительности, так и квантовую теорию — так называемую теорию квантовой гравитации. С 1930-х годов проводились различные попытки построения такой теории, которые так и не привели к самосогласованным проверяемым результатам. В некоторых современных подходах к построению такой теории предполагается, что лоренц-инвариантность практически точно выполняется при низких энергиях. При высоких энергиях могут наблюдаться эффекты нарушения лоренц-инвариантности, что может, в частности, проявляться в виде зависимости скорости света (кванта света — фотона) от его частоты (энергии). Другими словами, фотон приобретает зависящую от энергии эффективную массу (положительную либо отрицательную), стремящуюся к нулю при малых энергиях фотона.
Чтобы проверять подобные гипотезы и определять величины энергии, при которых можно доверять прогнозам теории, физики экспериментально наблюдают за частицами с очень высокой энергией.
Один из популярных методов проверки таких гипотез — наблюдение за быстрыми гамма-всплесками. Это очень энергичные быстрые события, источники которых находятся на больших расстояниях. Если гипотеза о нарушении лоренц-инвариантности верна и скорость света зависит от его частоты (энергии конкретного фотона), то фотоны большей энергии при распространении от источника до Земли должны обгонять фотоны меньших энергий (либо наоборот). То, что таких эффектов не наблюдается, позволяет поставить ограничения на энергетический масштаб таких теорий.
Другой метод проверки этой гипотезы (который в итоге дает лучшие ограничения) основан на изменении вероятности некоторых процессов, включающих искомые частицы (например, фотоны). Так, в стандартной лоренц-инвариантной теории фотон в вакууме является стабильной частицей: не распадается, например, на электрон-позитронную пару. Однако в электрическом поле атомного ядра такой распад происходит. Данный процесс (происходящий в верхних слоях атмосферы) дает начало атмосферному ливню из заряженных частиц, наблюдая за которым можно сделать вывод об обнаружении фотона высоких энергий (прилетевшего к нам от далеких источников).
В случае зависящей от энергии эффективной массы фотона эти каналы распада меняются. Если эта эффективная масса положительна, фотон становится нестабильным и может распадаться на электрон-позитронную пару или расщепляться на три менее энергичных фотона. В итоге первоначальный фотон высокой энергии не долетит до атмосферы Земли и мы не обнаружим фотонов с такой энергией. С другой стороны, отрицательная эффективная масса стабилизирует фотон. В этом случае даже вероятность разрешенного распада фотона в поле ядра становится подавленной по сравнению с обычным случаем. Атмосферные ливни, порождаемые фотоном в этом случае, образуются сильно ближе к поверхности Земли или даже под ее поверхностью. Итог для этих разных двух случаев един — таких атмосферных ливней, как в стандартном случае, не должно наблюдаться. А из факта, что такие ливни видят в эксперименте, можно поставить ограничения на энергетический масштаб этой теории.
Для данного метода, в отличие от предыдущего, нужны фотоны с максимально возможной энергией. По новым данным, опубликованным коллаборациями Tibet и LHAASO в апреле—мае 2021 года в журналах Science и Nature, максимальная энергия наблюдаемых фотонов увеличилась почти в десять раз по сравнению с предыдущими экспериментами, составив 1 ПэВ (Петаэлектронвольт) = 10^{15} электронвольта. Обе эти экспериментальные установки расположены на высоте более 4 км в Западном Китае (Тибет). Сотрудники Института ядерных исследований РАН участвуют в LHAASO.
В работе научного сотрудника Института ядерных исследований РАН Петра Сатунина, опубликованной в журнале European Physical Journal C, были проанализированы свежие данные экспериментов Tibet и LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory — крупная высокогорная обсерватория атмосферных ливней). На сегодняшний день LHAASO — один из самых чувствительных детекторов космических лучей — прилетающих из далекого космоса на Землю потоков массивных частиц высокой энергии. Сатунин проанализировал данные, полученные на детекторах Tibet и LHAASO на предмет поиска нарушения лоренц-инвариантности. Статистически значимое наблюдение фотонов энергией вплоть до 0,5 ПэВ позволило поставить двусторонние ограничения на энергетический масштаб теории: M_{LV} > 1,7* 10^{13} (4,9 * 10^{15}) ГэВ для отрицательного (положительного) знака перед эффективной массой. Ограничения первого типа — 10^11 ГэВ, то есть лучше на два-четыре порядка.
Ожидается, что в ближайшие несколько лет на эксперименте LHAASO будут получены новые данные по фотонам высоких энергий, которые позволят ограничить нарушение ЛИ еще сильнее либо, если она есть в природе, найти ее.