CMS 探測器(圖片來源：CERN)

近日，在大型強子對撞機(LHC)上進行的一項開創性研究中，CMS合作組首次測試了頂夸克是否符合愛因斯坦的狹義相對論。這一研究不僅深化了我們對粒子物理學標準模型的理解，也為未來的高能物理實驗指明了方向。

愛因斯坦的狹義相對論與量子力學共同構成了粒子物理學標準模型的理論基礎。其核心原則之一是洛倫茲對稱性，即實驗結果與實驗的方向或速度無關，這一原則在粒子物理學中占據著舉足輕重的地位。

盡管狹義相對論已經經受住了時間的考驗，但一些前沿理論，如弦理論的特定模型，預測在極高能量下，狹義相對論可能不再適用，實驗觀測結果可能會依賴于實驗在時空中的方向。這種洛倫茲對稱性破壞的殘余效應有可能在較低能量下被觀察到，例如在LHC的運行能量下。然而，盡管科學家們進行了大量的努力，但之前在LHC或其他對撞機上并未發現這種效應。

在最近的研究中，CMS合作組利用頂夸克對(已知的最重基本粒子)來尋找LHC上的洛倫茲對稱性破缺。他們假設，如果實驗中存在一個優先的時空方向，那么LHC質子-質子碰撞中頂夸克對的產生速率會隨時間而變化。由于地球繞地軸旋轉，LHC質子束的方向以及CMS實驗中心碰撞產生的頂夸克的平均方向也會隨著一天中的時間而變化。因此，找到與恒定速率的偏差就意味著發現了時空中的優先方向。

CMS合作組基于LHC第二次運行的數據進行了這項研究，結果顯示，頂夸克對的產生速率與恒定速率一致，這意味著洛倫茲對稱性沒有被破壞，愛因斯坦的狹義相對論仍然有效。研究人員利用這一結果設定了參數幅度的極限，這些參數在對稱性成立時預計為零。與之前在前Tevatron加速器上尋找洛倫茲對稱性破壞的結果相比，CMS合作組獲得的極限提高了100倍。

這一研究為未來基于LHC第三次運行的頂夸克數據尋找洛倫茲對稱性破缺鋪平了道路。同時，它還為研究其他只能在LHC上研究的重粒子的過程打開了大門，例如希格斯玻色子以及W和Z玻色子。