Физиците са тествали скоростта на светлината при най-високите досега енергии

Мъглявината Рак, източник на гама лъчи. (NASA/ESA/J. Hester/A. Loll/Щатски университет на Аризона)

Физиците проведоха най-високоенергийния тест за скоростта на светлината досега и откриха, че тя все още е постоянна навсякъде във Вселената, дори в гама лъчите, излъчвани от източницикато експлодиращи звезди.

Това означава, че дори при най-високите енергии, които можем да открием, един от стълбовете на теорията на Алберт Айнщайн за специална теория на относителността все още стои твърдо.

„Начинът, по който теорията на относителността се държи при много високи енергии, има реални последствия за света около нас“, каза астрофизикът Пат Хардинг от Националната лаборатория в Лос Аламос в Ню Мексико.

„Повечето модели на квантовата гравитация казват, че поведението на относителността ще се разпадне при много високи енергии. Нашето наблюдение на такива високоенергийни фотони изобщо повишава енергийната скала, където относителността е валидна, с повече от коефициент сто.

Лоренц инвариантност е основен принцип на специалната теория на относителността. Той изразява, че независимо къде се намирате във Вселената, законите на физиката - включително скоростта на светлината - остават същите.

Има обаче теории, които предполагат, че инвариантността на Лоренц може да бъде нарушена при много високи енергии.

Ако това се случи, ще имаме нужда от нови закони на физиката, за да го обясним. Но може и да успеем да го открием.

Ако инвариантността на Лоренц се наруши при високи енергии, тогава високоенергийните явления трябва да показват неочаквано поведение, несъвместимо с относителността; светлината, например, може да се движи с различни скорости.

Това е мястото, където се намесват гама лъчите. Те са най-късата дължина на вълната и най-високоенергийният вид светлина в електромагнитния спектър, произведен от радиоактивния разпад на атомните ядра.

Те излъчват от свръхнови, неутронни звезди, звездни изригвания и регионите наоколо черни дупки - много екстремни космически явления, с други думи.

Ако гама-лъчите се ускорят при нарушаване на инвариантността на Лоренц, фотоните на гама-лъчите ще се разпаднат на частици с по-ниска енергия, преди изобщо да достигнат Земята.

Тези частици с по-ниска енергия могат или не могат да стигнат тук, но те вече няма да бъдат гама лъчи.

Сега трябва да обсъдим Височинната водна обсерватория Черенков (HAWC). Това е най-високият детектор на гама лъчи, предназначен за откриване на гама лъчи с най-висока енергия, от 100 милиарда до 100 трилиона електронволта (100 гигаелектронволта, или GeV, до 100 тераелектронволта, или TeV).

Това е приблизително 100 милиарда до 100 трилиона пъти повече от енергията на видимата светлина - ако можехме да я видим, щеше да бъде ослепителна.

Обсерваторията HAWC е детектор на Черенков. Състои се от набор от резервоари, пълни с вода, с фотоумножителни тръби, които могат да откриват светлина. Когато гама лъч удари горните слоеве на атмосферата, той губи енергия поради взаимодействия с атмосферните молекули, създавайки каскаден дъжд от частици със скорост на светлината.

Именно тези частици обсерваторията HAWC е предназначена да открива. Когато навлязат във водата с висока скорост, те пътуват (за кратко) по-бързо, отколкото светлината всъщност може да премине през водата, тъй като водата забавя светлината съвсем малко.

Това създава „светлинен бум“ – светлинен еквивалент на звуков бум – който произвежда ултравиолетово сияние. Това сияние се нарича радиация на Черенков , и това улавят фотоумножителните тръби.

Колкото по-висока е енергията на гама лъчите, толкова повече частици има в получения дъжд. Ето как физиците могат да разграничат енергиите на гама лъчите.

С този метод обсерваторията HAWC наскоро откри редица гама лъчи с енергии над 100 TeV . Този факт сам по себе си поставя ограничения върху нарушаването на инвариантността на Лоренц - това означава, че фотоните не са пътували по-бързо от скоростта на светлината във вакуум.

Всъщност нито един от тях не показа никакви признаци на фотонно разпадане, свързано с нарушаване на инвариантността на Лоренц.

Това не означава, че инвариантността на Лоренц не може да се наруши дори при по-високи енергии, но означава, че не е нарушена в рамките на нашите откриваеми граници. И това е наистина изрядно.

„Откриването на още по-високо енергийни гама лъчи от астрономически разстояния ще позволи по-строги [проверки] на относителността,“ Хардинг каза .

„Тъй като HAWC продължава да събира повече данни през следващите години и да включва ръководени от Лос Аламос подобрения на детектора и техники за анализ при най-високи енергии, ние ще можем да изучаваме тази физика още повече.“

Изследването е публикувано в Писма за физически преглед .

За Нас

Публикуването На Независими, Доказани Факти От Доклади За Здравето, Пространството, Природата, Технологиите И Околната Среда.