大型強子對撞機（Large Hadron Collider，簡稱LHC）的研究人員，針對已知最巨大的基本粒子——頂夸克（top quarks），是否遵循愛因斯坦的相對論展開了測試。儘管有些理論指出，在高能量狀態下可能會出現偏離相對論的情形，但此次實驗證實，勞侖茲對稱性（Lorentz symmetry）依然完好無缺，並未發現粒子行為會因實驗方向或時間不同而有所改變的證據。

在LHC一項具開創性的研究中，CMS合作團隊探究了頂夸克是否遵循愛因斯坦的狹義相對論規則。愛因斯坦的狹義相對論，與量子力學一同構成了粒子物理標準模型的基礎。該理論的一項關鍵原則便是勞侖茲對稱性，其主張不論實驗在空間中的速度或方向為何，實驗結果都應保持一致。

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大型強子對撞機實驗：愛因斯坦相對論再經嚴峻考驗仍屹立不搖

大型強子對撞機（Large Hadron Collider）的研究人員，針對已知最龐大的基本粒子「頂夸克」（top quarks）是否符合愛因斯坦的相對論展開測試。儘管部分理論指出，在高能量狀態下可能會出現偏離相對論的情形，但實驗結果證實，洛倫茲對稱性（Lorentz symmetry）依然完好無缺，並未發現粒子行為會因實驗方向或時間不同而有所改變的跡象。

在大型強子對撞機（LHC）一項具開創性的研究中，CMS合作團隊探究了頂夸克是否遵循愛因斯坦狹義相對論的規則。愛因斯坦的狹義相對論，與量子力學共同構成了粒子物理標準模型的基礎。該理論的一項關鍵原則便是洛倫茲對稱性，其主張不論實驗在空間中的速度或方向為何，實驗結果都應保持一致。

儘管狹義相對論一直以來都被證明是準確的，但某些理論，如某些弦理論模型，卻暗示在極高能量下，相對論可能會失效。在此情形下，實驗結果可能會開始取決於實驗在時空中的方向。儘管在大型強子對撞機所達到的能量級上，可能會出現洛倫茲對稱性破缺的跡象，但此前在大型強子對撞機及其他對撞機所進行的研究，截至目前都尚未發現相關證據。

在近期的研究中，CMS合作團隊利用頂夸克對（已知最龐大的基本粒子），在大型強子對撞機上尋找洛倫茲對稱性破缺的跡象。在此情境下，若實驗方向會產生影響，那就意味著在大型強子對撞機的質子 - 質子碰撞中，頂夸克對的產生速率會隨時間而變化。

更精確地說，由於地球自轉，大型強子對撞機質子束的方向，以及CMS實驗中心碰撞產生的頂夸克平均方向，都會隨著一天中的不同時間而改變。因此，若時空中存在一個偏好方向，頂夸克對的產生速率便會隨時間而變化。所以，若發現產生速率偏離恆定，就相當於發現了時空中的偏好方向。

CMS合作團隊的新研究結果，是基於大型強子對撞機第二次執行所獲得的資料，結果顯示產生速率符合恆定，這意味著洛倫茲對稱性並未被打破，愛因斯坦的狹義相對論依然有效。CMS研究人員利用此結果，對在對稱性成立時預期為零的引數大小設定了限制。與先前在費米實驗室的兆電子伏特加速器（Tevatron accelerator）上尋找洛倫茲對稱性破缺的結果相比，此次所獲得的限制提高了高達100倍。

這些結果為未來基於大型強子對撞機第三次執行的頂夸克資料，進一步尋找洛倫茲對稱性破缺鋪平了道路。它們也為審視其他只能在大型強子對撞機上研究的重粒子相關過程開啟了大門，例如希格斯玻色子（Higgs boson）以及W和Z玻色子。

參考文獻：The CMS Collaboration所發表的「Searches for violation of Lorentz invariance in top quark pair production using dilepton events in 13 TeV proton-proton collisions」，釋出於2024年8月23日，刊載於《Physics Letters B》。DOI: 10.1016/j.physletb.2024.138979