近日，北京大学物理学院博士生宋翰林与郑州大学/北京大学教授马伯强合作完成的研究论文《Carpet-3 300 TeV Photon Event as an Evidence for Lorentz Violation》（《Carpet-3 实验组 300 TeV 光子事件：作为洛伦兹对称性破缺的证据》），正式被国际物理学著名期刊《Physics Letters B》（《物理快报 B 辑》）接受发表。该期刊自 1967 年创刊以来，始终聚焦粒子物理、核物理与宇宙学领域重大成果的快速发布。研究依托超高能伽马暴光子观测，为探索洛伦兹对称性破缺现象提供了重要观测依据，为量子时空物理学研究提供了新的参考方向。

团队此次重点围绕国际 Carpet-3 合作组的一项关键观测展开研究 —— 该合作组发现一枚能量达 300 TeV、与伽马暴 GRB 221009A 相关联的光子。这一光子不仅是目前人类观测到的 “与伽马暴关联的最高能光子”，更对传统物理框架提出疑问：在标准模型理论下，这类超高能光子的长距离传播与存活难以得到合理解释。通过系统分析光子的时空特性与多能段数据，团队得出两项关键研究结论：一是这枚 300 TeV 光子的物理特性，与团队此前针对 GeV-TeV 量级光子数据的研究结果高度自洽，进一步验证了相关理论模型的内部一致性；二是该光子可为 “洛伦兹对称性破缺” 提供重要研究支撑 —— 这为破解 “超高能光子存活之谜”、探索接近普朗克能标的量子时空效应提供了新的分析视角。

一、背景：洛伦兹不变性 —— 现代物理的 “基石” 与待解 “谜题”

作为相对论的核心支柱，洛伦兹不变性早已成为现代物理学的 “基石”—— 它明确预言，真空中的光速恒定不变，不会随光子能量高低或观测参考系变化而改变。但在物理学探索的 “极限地带”—— 接近普朗克能标（量子效应与引力效应交织的临界尺度）时，理论物理学家提出大胆猜想：这一 “绝对规律” 或存在微小破缺，理论模型预言其可能表现为光子速度随能量变化，呈现 “亚光速” 或 “超光速” 特性（本研究重点聚焦亚光速情景）。

长期以来，如何通过实验验证这一猜想，始终是高能天体物理与量子引力领域的核心难题。此前，科学家多依赖 GeV-TeV 能段的光子开展研究，虽取得阶段性进展，却尚未获得确凿实验证据，洛伦兹对称性破缺的物理本质仍需更多观测支撑。

二、关键观测：300 TeV 光子 —— 挑战传统模型的 “宇宙信号”

转机出现在 2025 年 2 月：国际 Carpet-3 实验团队完成对既往观测数据的分析, 正式宣布捕获到一个里程碑式信号 —— 一枚能量高达 300 TeV 的超高能光子。追溯其源头，这枚光子与 2022 年 10 月发生的历史性伽马暴 GRB 221009A 存在关联，在伽马暴 “瞬时辐射” 后 4536 秒才抵达地球。

GRB 221009A 堪称 “史上最亮伽马暴”，由一颗质量超太阳 20 倍的大质量恒星燃料耗尽、塌缩爆炸产生，距离地球约 24 亿光年（对应红移 z≈0.151），此前我国 “拉索” 观测站已对其展开深度研究并斩获重要成果。此次发现的 300 TeV 光子，不仅刷新了 “与伽马暴关联的最高能光子” 纪录，更对传统物理模型提出疑问：根据银河系外背景光(EBL)吸收理论，能量超过 10 TeV 的光子在 24 亿光年的飞行途中，被吸收的概率极高，理论上较难抵达地球。这一 “理论预测与观测结果的差异”，为检验洛伦兹对称性破缺提供了一个罕见而重要的观测契机。

三、创新研究：三维分析框架，为洛伦兹破缺探索提供参考

面对这一特殊观测现象，马伯强教授团队构建起多维度、严谨的分析框架，逐步拆解物理问题：

1.  厘清时间延迟 “双来源”：在洛伦兹破缺理论框架下，高低能光子抵达地球的时间差并非单一因素导致，团队明确区分了两类延迟的物 理意义 ——“速度差异延迟”（由洛伦兹破缺效应可能引发）与 “本征辐射延迟”（伽马暴源自身因光子能量不同产生的辐射时间差），为后续定量分析奠定基础。

2.  建立创新性本征延迟模型：团队建立了能量依赖的本征延迟模型，突破传统模型局限，初步揭示 GeV-TeV 能段光子的辐射时间随能量变化的规律，为数据解读提供了新的理论视角。

3.  贝叶斯统计验证稳定性：采用高斯噪声模型下的贝叶斯参数估计方法，并借助 “bilby” 专业统计工具，对两类核心数据集开展交叉验证 —— 既涵盖 14 个 GeV 量级光子数据，也纳入包含 GeV 与 TeV 量级光子的 17 个综合数据。分析结果在 1σ 置信区间内保持一致，显示模型拟合的稳定性和结果的内部一致性。

通过上述分析，团队得到关键参考结果：拟合结果对应的洛伦兹破缺特征能标约为 3×10¹⁷ GeV，这一数值与普朗克能标（~10¹⁹ GeV）相近，为可能探测量子引力效应的能量区间提供了参考。同时，300 TeV 光子与此前观测的 GeV 量级光子、其他伽马暴的 GeV-TeV 光子在模型框架内表现出兼容性，既支持该光子与 GRB 221009A 的物理关联，也为解释 “超高能光子存活现象” 提供了一种潜在思路。

四、科学意义：跨学科探索，为量子时空研究开辟新思路

这项成果的价值不仅在于对单一观测现象的解读，更在于为跨学科研究提供了新路径：

1.  打通学科协作通道：研究将 “多信使天体物理”（以伽马暴超高能光子为核心观测载体）与 “量子时空现象学” 深度结合，为探测普朗克尺度物理提供了新的实验探索思路，同时回应了 “拉索”（LHAASO）等国际前沿观测设施提出的新物理探索命题，为两类领域的协作提供了具体案例。

2.  明确潜在研究方向：成果展现了将伽马暴 GRB 221009A 作为量子时空研究 “潜在测试平台” 的可能性 —— 未来可通过整合更多伽马暴观测数据，进一步检验洛伦兹对称性破缺的普适性，推动相关理论从 “单一案例支撑” 向 “多观测验证” 发展。

3.  指引实验探索目标：为下一代超高能伽马射线探测设施提供了明确的科学探索方向，助力我国在高能天体物理与量子时空交叉领域巩固研究优势，抢占前沿探索先机。

谈及未来规划，马伯强教授表示，团队将继续整合全球伽马暴观测数据，进一步验证相关理论模型的合理性，为未来探索量子时空本质提供阶段性参考，推动基础物理领域的跨学科研究不断深入。

该成果由马伯强教授领衔的团队完成，成员涵盖博士生、硕士生及本科生，形成了 “资深学者引领、青年学生攻坚” 的研究梯队。团队在洛伦兹对称性破缺研究方向深耕十余年，围绕光子、中微子、电子及质子的洛伦兹对称性破缺问题发表系列重要论文，积累了扎实的理论基础与数据分析经验。此次研究中，北京大学物理学院博士生宋翰林作为第一作者，在团队既往研究基础上，创新引入多能段数据融合分析方法，整合 Carpet-3 最新观测数据，最终实现理论检验的重要进展。该项研究得到国家自然科学基金委员会重点项目（课题名称：“时空洛伦兹对称性破缺的唯象和理论研究”）的资助，为研究的持续推进提供了关键支撑。

论文原文链接

https://doi.org/10.1016/j.physletb.2025.139959

该团队先前分析GeV-TeV量级的伽马暴光子数据获得成果的新闻报道链接

https://news.pku.edu.cn/jxky/06a3db9ae61145d0941fee659a8e5071.htm