近日，由beat365官方网站理論物理研究所博雅特聘教授馬伯強主導的團隊通過分析伽馬射線暴（GRB，以下簡稱伽馬暴）中高能光子與低能光子的時間延遲現象，為檢驗時空基本對稱性（即“洛倫茲不變性”）的破缺提供了迄今最系統的觀測信号。該研究不僅更新了洛倫茲不變性破缺的能量尺度測算，更以超過3.1σ的顯著性水平對“光速恒定”的傳統假設提出挑戰，為探索量子引力理論邁出關鍵一步。該突破性成果以“伽馬射線暴的洛倫茲不變性破缺”（Lorentz Invariance Violation from Gamma-Ray Bursts）為題，在國際著名期刊《天體物理雜志》（The Astrophysical Journal）發表。

洛倫茲不變性是愛因斯坦狹義相對論的基石，它假設物理規律在所有慣性參考系中保持一緻，且真空中的光速為恒定值。然而，許多量子引力理論預言，在極高能量尺度（接近普朗克能量，約10¹⁹GeV）下，時空可能呈現離散性或量子漲落，導緻光子傳播速度與其能量相關，即産生可觀測的“能量依賴的色散效應”——部分理論預言高能光子速度更快，而另一些則預言更慢。伽馬暴作為宇宙中最劇烈的爆發現象，其釋放的寬能段光子（從keV到TeV）為檢驗這一效應提供了天然的“高能實驗室”。

研究團隊整合了費米伽馬射線空間望遠鏡（FGST）、MAGIC大氣切倫科夫望遠鏡及中國“拉索”高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）的最新觀測數據，重點分析了10個伽馬暴事件中的17個高能光子，包括：

- FGST探測到GRB 221009A事件的99.3 GeV光子（迄今FGST記錄最高能光子）；

- MAGIC捕獲GRB 190114C的1.07 TeV光子（人類首次在TeV能段探測伽馬暴）；

- LHAASO在GRB 221009A中記錄的12.2 TeV光子（人類迄今觀測到最高能伽馬暴光子）。

這些跨越四個數量級能量的極端案例為檢驗光子傳播過程中可能存在的洛倫茲對稱性破缺提供了獨特樣本。

研究發現，高能光子普遍比低能光子更晚抵達探測器，這一時間延遲現象與洛倫茲不變性破缺導緻高能光子速度更慢的特定理論預言高度吻合。通過構建更新模型，團隊測算出洛倫茲不變性破缺的臨界能量尺度為3.00 × 10¹⁷GeV，與先前該團隊研究結果（3.60 × 10¹⁷GeV）一緻，但顯著提升了數據精度與統計顯著性。尤為重要的是，研究以超過 3.1σ 的置信度（統計學上“較強證據”标準）對“光速恒定”的零假設（即 E = pc 的色散真空假設）提出了挑戰，為探索超出現有物理框架的可能性提供了新的實驗線索。

該工作中分析的伽馬暴光子分别為 FGST 的 14 個光子，FGST 的 99.3 GeV 光子，MAGIC 的 1.07 TeV 光子和 LHAASO 的 12.2 TeV 光子 。橫坐标代表重新标度的伽馬暴光子能量，縱坐标代表重新标度的伽馬暴光子與低能光子的到達時間差。

若洛倫茲不變性破缺被最終證實，這将對相對論的基本框架帶來重大挑戰，并可能需要對時空性質進行新的理解，為統一量子力學與廣義相對論的量子引力理論（如弦理論、圈量子引力）提供關鍵實驗依據。該研究将檢驗能量尺度推至10¹⁷GeV量級，接近量子引力理論預測的普朗克能區（10¹⁹GeV），标志着人類向“新物理”邊疆的深入探索。

該研究聯合分析了GeV至TeV能段的多波段光子數據，尤其是LHAASO對GRB 221009A記錄的12.2 TeV光子，彰顯了多國探測器協同觀測在極端天體物理研究中的不可替代性。團隊開發的伽馬暴源光子能量-時間關聯模型（Energy-Dependent Emission Model）為後續研究（如利用更高能光子或更遠距離爆發）提供工具支持。未來，随着LHAASO和CTA（切倫科夫望遠鏡陣列）等設備對更多伽馬暴數據的探測和獲取，有望将檢驗顯著性提升至5σ “黃金标準”，進一步逼近理論真相。

論文通訊作者馬伯強表示：“這項成果不僅是高能天體物理與基礎物理交叉的典範，更揭示了宇宙極端事件作為“天然粒子加速器”的獨特價值。盡管3.1σ尚未達到決定性阈值，但它為下一代實驗指明了方向——我們可能正站在新物理革命的門口。”

該成果由馬伯強領導的團隊完成，成員包括研究生和本科生。該團隊在洛倫茲不變性破缺研究方向深耕十餘年，圍繞光子、中微子、電子和質子的洛倫茲不變性破缺問題發表了一系列重要論文。此次突破性成果以beat365官方网站博士生宋翰林為第一作者，他在團隊多年積累的基礎上，創新引入分析方法并整合最新實驗數據，最終實現了理論檢驗的重大進展。該項研究得到國家自然科學基金委員會重點基金“時空洛倫茲對稱性破缺的唯象和理論研究”的資助。

論文原文鍊接

https://doi.org/10.3847/1538-4357/adb8d4