《物理评论快报》发表天文与空间科学学院王祥玉教授课题组关于利用宇宙中微子检验相对论基本原理的研究成果

(天文与空间科学学院 科学技术处)

中微子是宇宙物质的基本组成单元,由于其与物质作用很弱而很难被探测到。2013年科学家利用位于南极的冰立方探测器首次探测到了来自地外的极高能量的中微子(1012-1015电子伏特)。如此高能量的中微子应来自极高能量的宇宙线粒子的碰撞过程。最近德国一课题组研究发现一个能量为1015电子伏特的中微子与发生在遥远宇宙的活动星系爆发在位置和时间上一致,并认为此中微子来自耀变体。王祥玉教授课题组提出利用中微子与光子的飞行时间差来检验狭义相对论的洛伦兹不变性原理和广义相对论的等效原理,得到了对这些基本原理的精确检验。

该项研究工作得到了科技部国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和南京大学登峰人才计划B层次的资助。

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我校天文与空间科学学院、现代天文与天体物理教育部重点实验室王祥玉教授课题组在利用宇宙中微子检验相对论基本原理方面取得重要进展,相关成果以“Testing
the Equivalence Principle and Lorentz Invariance with PeV Neutrinos from
Blazar
Flares”为题,以南京大学为第一单位和通讯单位发表在国际著名物理学期刊《物理评论快报》(Physical
Review Letters)(2016年4月12日在线发表:

www.8814.com ,图:遥远宇宙的耀变体产生的高能中微子和光子经过长距离的传播后到达地球。

洛伦兹不变性原理认为光子或静止质量可忽略的不带电粒子在真空中传播时的速度为常数,与粒子的能量或属性无关。然而一些量子引力理论则预言,由于时空在极小尺度上存在“泡沫状”结构,这些粒子的传播速度在能量较高时会与光速不同,即洛伦兹不变性原理发生破缺。过去科学家曾利用超新星1987A发出的中微子与光子的最大飞行时间差限制了洛伦兹不变性原理破缺的程度。由于此次高能中微子来自宇宙深处(距离我们90亿光年),且中微子能量又特别大,王祥玉课题组得到了对中微子的洛伦兹不变性破缺理论的最强限制。这个限制比利用超新星1987A
的中微子得到的限制提高了数个量级,在更高精度上证明了洛伦兹不变性原理的正确性。同时,广义相对论的等效原理认为,光子或中微子在引力场中传播的时间延迟应一样,即同时发出的中微子与光子经过引力场后应同时到达地球,而不依赖于粒子的属性。该课题组利用高能中微子与光子经过邻近星系团或超星系团的引力场后的最大飞行时间差检验了等效原理,得到的检验精度比超新星1987A中微子的情形提高了两个量级。PRL审稿人给予高度评价:“The
research topic is definitely of great interest at the moment, and the
results discussed in this article will have a great impact in the
astrophysics community.”。

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