Πώς μπορούμε να ψάξουμε για παραβιάσεις της αναλλοιώτητας Λόρεντζ χρησιμοποιώντας ακτίνες γ;

Η αναλλοιώτητα Λόρενζ σχετίζεται με την αρχή της ειδικής σχετικότητας, να μένουν όλοι οι νόμοι της φυσικής ίδιοι σε αλλαγές αδρανειακών συστημάτων (συστήματα αναφοράς που κινούνται με διαφορετικές αλλά σταθερές ταχύτητες μεταξύ τους). Στην προσπάθεια να βρεθεί μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας έχουν προταθεί διάφορες εκδοχές παραβίασης αυτής της αρχής, οι οποίες πηγάζουν από την προσπάθεια να συνδεθεί ο συνεχής χωροχρόνος με πεπερασμένα κομμάτια του (κβάντα). Μία από αυτές είναι το φως να έχει μια πολύ μικρή μεταβολή της σταθερής ταχύτητας του στο κενό, ανάλογα με την ενέργεια του, δηλαδή μια τροποποιημένη σχέση διασποράς, όπου όσο μεγαλύτερη ενέργεια έχει, τόσο διαφορετική θα είναι η ταχύτητα του από c (μικρότερη ή μεγαλύτερη). Αυτό σημαίνει ότι διαφορετικής ενέργειας φωτόνια που έχουν ξεκινήσει ταυτόχρονα από μια πηγή, θα ανιχνεύονται με χρονοκαθυστέρηση μεταξύ τους. Αυτή η χρονοκαθυστέρηση αυξάνεται σε δευτερόλεπτα και γίνεται πιο εύκολα παρατηρήσιμη όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση από την πηγή (πχ αν σκεφτούμε έναν λαγό και μια χελώνα, όσο μεγαλύτερη διαδρομή έχουν να διανύσουν, τόσο αργότερα θα φτάσει η χελώνα στο τέρμα, σε αντίθεση με τον μύθο του Αισώπου). Επειδή οι ακτίνες γ είναι πιο ενεργητικές, θα παρουσιάζουν πιο έντονα το φαινόμενο αυτό, οπότε προτιμούνται και συγκρίνονται με πιο χαμηλής ενέργειας φωτόνια που θα ταξιδεύουν με τη γνωστή ταχύτητα του φωτός. Για τον σκοπό αυτό χρειάζονται αστροφυσικές πηγές σε μεγάλες αποστάσεις, που έχουν πολύ γρήγορη μεταβλητότητα στη λαμπρότητα τους σε διαφορετικές ενέργειες φωτονίων, έτσι ώστε να φαίνεται αν οι διαφορετικής ενέργειας ακτίνες είναι ταυτόχρονες όταν ξεκινάνε. Τέτοιες πηγές είναι οι εκλάμψεις ακτίνων γ (GRBs) που έχουν πολύ γρήγορη μεταβλητότητα ευρέος φάσματος, και οι ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες (AGNs) που έχουν πιο αργή μεταβλητότητα αλλά υψηλότερης ενέργειας ακτίνες γ. Επειδή όμως οι συγκεκριμένες πηγές έχουν ποικιλία συμπεριφορών, είναι δύσκολο να ξέρουμε αν πραγματικά τα φωτόνια που μας φτάνουν εκπέμπονται όντως ταυτόχρονα. Για αυτό τον λόγο πρέπει να μελετηθούν στατιστικά πολλές τέτοιες αφίξεις από διαφορετικού τύπου πηγές, σε διαφορετικές αποστάσεις και με διαφορετικές ενέργειες φωτονίων. Αν βρεθεί κάποια συστηματική παρέκκλιση στον χρόνο άφιξης των φωτονίων που αλλάζει μόνο με την ενδιάμεση απόσταση πηγής-παρατηρητή, τότε θα υπάρχουν ενδείξεις ότι συμβαίνει. Στην πράξη όμως είναι πολύ πιο εύκολο να διαψευσθούν μοντέλα κβαντικής βαρύτητας. Αν πχ ένα μοντέλο προβλέπει χρονοκαθυστέρηση 3-4 δευτερόλεπτα για δύο διαφορετικές ενέργειες, και παρατηρήσουμε σε μια πολύ απότομη έκλαμψη μικρής χρονικής διάρκειας, να καταφθάνουν με διαφορά 1 sec τότε αυτό το μοντέλο απορρίπτεται και μπαίνουν αυστηρότεροι περιορισμοί.

Πηγές:
https://arxiv.org/pdf/1501.00824.pdf
https://www.nature.com/articles/nature08574

Η εικόνα του ουρανού από το τηλεσκόπιο Fermi αποκαλύπτει τις περιοχές που εκπέμπουν έντονα στις ακτίνες γ: το επίπεδο του Γαλαξία μας, φωτεινά πάλσαρ και υπερμαζικές μελανές οπές. Image Credit: NASA/DOE/International LAT Team