Ist es möglich, dass die Lichtgeschwindigkeit an manchen Orten im Universum schneller und an anderen langsamer ist?

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Neue Messungen bestätigen, dass die Gesetze der Physik auch bei den höchsten jemals erforschten Energien gelten, unabhängig davon, wo man sich befindet oder wie schnell man sich bewegt. Die rekordverdächtigen Gammastrahlenbeobachtungen demonstrieren die Stabilität der Lorentz-Invarianz, einem Teil von Einsteins Relativitätstheorie, der vorhersagt, dass die Lichtgeschwindigkeit überall im Universum konstant ist. Das High Altitude Cherenkov Observatory (HAWC) in Puebla, Mexiko, hat Gammastrahlen registriert, die von einer weit entfernten galaktischen Quelle stammen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

„Das Verhalten der Relativitätstheorie bei sehr hohen Energien hat reale Konsequenzen für die Welt um uns herum“, sagte Pat Harding, Astrophysiker in der Neutron Science and Technology Group am Los Alamos National Laboratory und Mitglied der Cherenkov Observatory Scientific Collaboration. „Die meisten Modelle der Quantengravitation gehen davon aus, dass das relativistische Verhalten bei sehr hohen Energien zusammenbricht. Unsere Beobachtungen von Photonen bei diesen hohen Energien erhöhen die relativistische Energieskala um mehr als den Faktor Hundert, und die Lorentz-Invarianz ist ein wesentlicher Bestandteil des Standardmodells der Physik.“

Einige physikalische Theorien jenseits des Standardmodells legen jedoch nahe, dass die Lorentz-Invarianz bei den höchsten Energien möglicherweise nicht gilt. Wenn die Lorentz-Invarianz verletzt wird, werden viele exotische Phänomene möglich. Gammastrahlen können sich beispielsweise schneller oder langsamer als die normale Lichtgeschwindigkeit bewegen. Wäre es schneller, würden diese hochenergetischen Photonen in Teilchen mit niedrigerer Energie zerfallen und daher nie die Erde erreichen. Das Cherenkov-Gammastrahlen-Observatorium hat vor kurzem einige astrophysikalische Quellen entdeckt, die Photonen mit über 100 TeV produzieren.

Das entspricht einer Billion Mal der Energie des sichtbaren Lichts und ist weit höher als die Energie, die jeder Beschleuniger auf der Erde liefern kann. Da das Tscherenkow-Observatorium diese Gammastrahlen erkennen kann, erweitert es die Skala der Lorentz-Invarianz um den Faktor 100. Die Erkennung energiereicherer Gammastrahlen in astronomischen Entfernungen wird eine strengere Überprüfung der Relativitätstheorie ermöglichen. Da das Tscherenkow-Observatorium in den kommenden Jahren weiterhin mehr Daten sammelt und die von Los Alamos vorangetriebenen Verbesserungen bei Detektoren und Analysetechniken für höchste Energien einbezieht, wird diese Physik weiter erforscht werden können.

Aufgrund der hohen Energien und der großen Entfernungen von den Quellen bieten astrophysikalische Beobachtungen eine einzigartige Gelegenheit, mögliche Signaturen einer Lorentz-Invarianzverletzung (LIV) zu untersuchen. Überlichtschnelles Liv kann den Zerfall von Photonen bei hohen Energien verursachen. Das Höhen-Tscherenkow-Observatorium (HAWC), eines der empfindlichsten Gammastrahleninstrumente, das derzeit oberhalb von 10 TeV betrieben wird, hat Hinweise auf mindestens vier astrophysikalische Quellen gefunden, die 100 TeV-Photonen aussenden. Diese Beobachtungen schließen für die strengsten Grenzwerte eine Energieskala für überlichtschnelles Liv aus: 2,2×10^31 eV, was mehr als dem 1.800-fachen der Planck-Energie entspricht und eine Verbesserung um 1 bis 2 Größenordnungen gegenüber den vorherigen Grenzwerten darstellt.

Abbildung: Dieses zusammengesetzte Bild zeigt eine Himmelsansicht ultrahochenergetischer Gammastrahlen. Pfeile zeigen auf vier Gammastrahlenquellen mit Energien über 100 TeV, die aus unserer eigenen Milchstraße stammen (mit freundlicher Genehmigung der Cherenkov Observatory Collaboration). Auf einem Foto sind 300 große Wassertanks des Tscherenkow-Observatoriums zu sehen, die empfindliche Lichtdetektoren enthalten, die den Partikelregen messen können, der durch Gammastrahlen entsteht, die in mehr als 16 Kilometern Höhe auf die Atmosphäre treffen.

Boco Park | Forschung/Von: Los Alamos National Laboratory

Referenzzeitschrift: Physical Review Letters

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