最新技術の実験で謎のダークエネルギーの探索を強化、量子重力に新情報提供

Tokyoカリフォルニア大学バークレー校の物理学者たちは、非常に精度の高い実験を開発し、ダークエネルギーの探索に取り組んでいます。ダークエネルギーは26年前に発見され、宇宙の加速膨張を引き起こす要因とされています。この実験の目的は、現在の重力理論から逸脱した現象を見つけ出すことです。以下に重要な詳細を示します。

原子干渉計を用いて高精度の重力測定を行い、光格子を組み合わせて原子をより長く保持します。以前の測定よりも5倍の精度を達成し、この実験では原子を最大70秒間固定することができます。

物理学者のホルガー・ミューラーと彼のチームは、非常に小さなスケールで重力を研究しました。彼らの機器を使った実験で、重力がアイザック・ニュートンの理論と完全に一致することがわかりました。しかし、彼らの機器の精度向上によって、将来的には、カメレオンやシンメトロンと呼ばれる粒子に関連する可能性がある、第5の力の存在を確認または否定することができるかもしれません。

物理学者たちは、重力に量子的な側面があると考えていますが、実験的な証拠はまだありません。ミュラー氏は「検出能力は保持時間が長くなるほど向上します。もし原子を20〜30倍長く保持できれば、証拠を見つける確率は400倍から80万倍にまで高まる可能性があります」と述べました。格子原子干渉計は原子を最大70秒間保持でき、研究の新たな可能性を切り開きます。

この実験は重力を測定するだけではありません。原子干渉計は重力や動きに非常に敏感で、量子センシングなどの他の用途にも利用できます。「ジャイロスコープや加速度計のような機器を作ることができます」とUCバークレーのポスドク研究員であるクリスティアン・パンダは言いました。これらの機器は、重力、速度、回転を測定する小型で耐久性のあるデバイスの開発に役立つ可能性があります。

チームは格子アトム干渉計という方法を用いました。この方法は原子を静止させ、長時間にわたって微細な重力効果を測定します。原子を一箇所に長く留めておくことで、小さな力を検出することが可能になります。この技術は海上でも利用でき、海底の研究にも役立つ可能性があります。

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1998年にUCバークレーのソール・パールマッターやアダム・リースを含む二つの科学者チームによってダークエネルギーが発見されました。彼らは、宇宙がこれまで考えられていたよりも速く膨張していることを見つけました。ダークエネルギーについては多くの理論が存在するものの、未だに十分には理解されていません。ダークエネルギーは宇宙の約70%を占めています。

2015年に、ミュラーはアトム干渉計を用いて<chameleon粒子>を探しましたが、通常の重力に変化は見られませんでした。重要なステップは、各原子を異なる運動量の状態に置き、位相差を測定することでした。

最近の実験で、ミュラーと彼のチームは、光格子を用いて、COVID-19パンデミック中でも原子をより長く定位置に保持しました。ポストドクトラルフェローのクリスティアン・パンダは、レーザーを安定させ、温度を調整することで保持時間を70秒に延ばしました。

パンダとミュラーは10,000個のセシウム原子を真空チャンバー内で保持する時間を短縮することで、測定精度を向上させました。彼らはこれらの原子を小さな雲状に広げることで、より正確に重力の影響を測定できるようになりました。

アリゾナ大学の助教授であるパンダ氏は、独自の格子原子干渉計を作成しようと計画しています。同時に、ミュラーのチームは振動制御を改善し、より低温で動作する新しい装置に取り組んでいます。この新しい装置は、量子重力の特性を100倍も高精度で検出することができ、大きな進展をもたらす可能性があります。

国立科学財団、海軍研究局、およびジェット推進研究所がこの重要な研究を支援しました。研究チームはさまざまな機関からの多数の専門家で構成されていました。