近日，郑州大学物理学院粒子物理研究所马伯强教授与北京大学李成翊博士联合完成的研究工作以“Constraints to Lorentz violation and ultrahigh-energy electrons in D-foamy space-times”为题，发表在国际著名物理学期刊《Journal of High Energy Physics》上。该工作以粒子真空洛伦兹对称性破缺为研究方向，结合中国高海拔宇宙线观测站（LHAASO）对蟹状星云的观测数据，在人类探索时空本质、揭示高能粒子极端行为方面取得重要进展，彰显了我国学者在量子引力与天体粒子物理前沿交叉领域的科研实力。
洛伦兹对称性是现代物理学的“基石性”原理，它确保物理定律在不同惯性参考系中保持一致，既是狭义相对论的核心概念，也支撑着人类对时空与物质相互作用的基本认知。不过，量子引力理论的研究表明，在极高能量或极小时空尺度下，洛伦兹对称性可能出现微小破缺。这一猜想若得到证实，将彻底重构人类对时空结构的理解，甚至改写部分基础物理定律。洛伦兹破缺因此成为基础物理领域的重要课题。科研团队近来有三项相关工作（文献[1-3]）均以“真空切伦科夫效应”作为研究的切入点。
通常情况下，切伦科夫辐射仅当带电粒子在介质中的运动速度超过该介质内光速时才会发生（例如核反应堆周围常见的蓝色辉光）；而在真空中，带电粒子因无法超越光速这一速度上限而不会产生此类辐射。但如果存在洛伦兹破缺，真空会呈现类似“介质”的特性——高能电子的运动速度可能超过真空中的光速，从而发生真空切伦科夫效应。已有研究正是基于这一逻辑，依托LHAASO在蟹状星云中（间接）观测到的超高能电子（且未发现后者因该效应产生的能量损失），推导出洛伦兹破缺尺度的约束范围：若洛伦兹破缺存在，其效应必须微弱到不足以让电子产生可影响该天体辐射的切伦科夫能损。
基于此，科研团队首先通过唯象学方法（即从实验现象出发构建理论模型的研究路径）验证，在多数常规洛伦兹破缺模型中，真空切伦科夫效应一旦发生，电子的能量损失足够迅速；这意味着单纯的运动学“阈分析”（以判断电子是否因发生该过程而无法产生蟹状星云的常规辐射）可作为约束洛伦兹破缺尺度的可靠手段。这一结论为前期研究[1-3]的方法论提供了关键的理论支撑，进一步巩固了该类观测手段在洛伦兹破缺研究中的地位。
该工作最重要的发现是洛伦兹破缺的“例外图景”：在受（超临界）弦理论启发构建的“时空泡沫”模型中，传统的真空切伦科夫辐射被自然规避。该理论[4-6]指出，时空在小尺度下呈现由D膜（可视为时空“缺陷”）构成的“泡沫状”结构——即D泡沫时空（D-foamy space-time），它对光子的折射率会随光子能量线性变化，并呈现“亚光速”特性（即高能光子的传播速度低于常规真空光速）。这一理论预言与团队过去在该领域所做唯象分析[7]的结论是一致的，即基于伽马射线暴高能光子数据开展的多年期洛伦兹破缺研究很有可能支持这种类型的“真空光速变化”（light-speed variation）效应。
为论证该理论的例外之处，该团队对两种具体的D泡沫时空图景[4,6]展开细致分析，得到非常有趣的结果：在这两种图景中，尽管超高能电子的运动速度确实超过了该时空背景下的光速，但借助D泡沫时空的特殊性质（两种图景分别由不同物理机制主导），这些带电粒子并不会产生真空切伦科夫辐射。这一发现意味着，在弦理论框架下的时空泡沫模型中，洛伦兹破缺可能以更复杂、更隐蔽的形式存在。因此，传统通过真空切伦科夫效应约束（光子）洛伦兹破缺尺度的方法在此类模型下不再有效。这为上述光速变化的唯象信号——以及与之相关的超越标准模型的新物理——提供了一致的理论描述。
这项研究的意义远不止单一结论：一方面，它为洛伦兹破缺约束划定了清晰的适用边界，明确传统约束方法的适用范围与局限性，可避免后续研究陷入“通用化”的误区；另一方面，它将理论与实验紧密相连，为量子引力理论（尤其是弦论相关的时空模型）提供了可通过高能观测检验的具体方向。作为当前全球灵敏度最高的宇宙线天文台，LHAASO对蟹状星云等天体的持续观测，将为该领域研究提供源源不断的关键数据；此次成果也为未来开展更精准的量子引力检验奠定了坚实的理论基础。
该论文第一作者为北京大学物理学院博士后李成翊，通讯作者为郑州大学马伯强教授，发表于J. High Energy Phys. 10 (2025) 216；该工作得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金、国家资助博士后研究人员计划、北京大学博雅博士后项目的资助与支持。
论文链接：https://doi.org/10.1007/JHEP10(2025)216
相关文献：
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[4] J. Ellis, N. E. Mavromatos, D. V. Nanopoulos, Phys. Lett. B 665, 412 (2008)
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[7] H. Song & B.-Q. Ma, Astrophys. J. 983, 9 (2025) 及其参考文献
