要約:
チューリッヒのスイス連邦工科大学とポール・シェラー研究所の科学者たちは最近、重要な進歩を遂げました。彼らは、絶対零度に近い超流動ヘリウムを使用して、高度に制御可能なミューオン原子のビームを作成しました。彼らは、この特別な原子を使って、重力が第二世代の素粒子に通常の物質とまったく同じ影響を与えるかどうかを直接テストすることを計画している。
この研究の鍵は、アインシュタインの理論に問題があることを証明することではなく、重力等価原理の検証の対象を素粒子の第 2 世代に拡張することを初めて試みることです。実験の結果、地球の重力場におけるネズミの運動が通常の物質の運動とは説明できないほど異なることが判明した場合、その結果は現在の標準モデルを超えた新しい物理学への手がかりを提供する可能性があり、さらには仮説上の「第5の基本的な力」が関与する可能性がある。
日常世界の物質は主に陽子、中性子、電子で構成されています。これらの粒子は、いわゆる第一世代の素粒子に属します。自然界にはより大きな質量を持つ第 2 世代および第 3 世代の粒子もあり、その中のミューオンは電子の第 2 世代の「親戚」です。ミュオンの質量は電子の約207倍ですが、通常の原子のような安定した成分ではなく、寿命が極めて短い素粒子です。
標準模型はこれらの異なる世代の粒子を説明できますが、長年の基本的な疑問、つまり、なぜ自然には 3 世代の素粒子が必要なのか、なぜ第一世代に加えて、著しく質量の大きい第二世代と第三世代の粒子も存在するのか、を説明することはできません。
したがって、科学者たちは、ミュー粒子の重力挙動を研究することで、これらの粒子の基本的な特性についてさらに詳しく知りたいと考えています。重要な問題は、アインシュタインの等価原理が通常の物質だけでなく、第 2 世代の素粒子からなる物質にも当てはまるかどうかです。
いわゆる等価原理は、非常によく知られた現象に関連しています。つまり、空気抵抗などの外部要因が無視されると、異なる質量と組成の物体が同じ重力場内で同じように自由落下します。現代物理学は、この現象を重力質量と慣性質量の等価性と関連付けており、これは一般相対性理論の重要な基礎の 1 つでもあります。
人類はこれまで、普通物質を使った高精度の実験を数多く実施し、反物質の第一世代では重力実験も行ってきましたが、素粒子の第二世代では状況が全く異なります。ミューオンは崩壊するまで平均約 2.2 マイクロ秒しか生きられないため、ミューオンの重力を研究するのは困難です。
研究者らは、問題の一部を解決するために「ムシン」と呼ばれる特別な種類の原子を選択しました。ミュオンは、正に帯電した反ミュオンと負に帯電した電子から構成されます。組み合わせると、この 2 つは電気的に中性になります。その構造は水素原子に似ていますが、その質量の大部分は電子よりもはるかに重い反ミュオンに由来します。
電気的中性は実験を実行するための重要な条件です。重力自体は非常に弱いものです。荷電粒子が実験に直接関与する場合、その周囲の非常に弱い電磁場が重力の影響よりもはるかに大きな影響を及ぼし、科学者が本当に測定したい信号を完全にかき消してしまう可能性があります。
しかし、これまでのムチン生成方法には依然として重大な問題が残されています。生成されるムチンの移動速度と方向が大きく異なるということです。このため、科学者にとって、地球の寿命がわずか 2.2 マイクロ秒であるとき、地球の重力によって引き起こされる非常に小さな偏差を探すことはおろか、その軌道を正確に測定することも困難になります。
この研究の最大の進歩は、ミュオンビームの制御の問題を解決したことです。
研究チームは、ポール・シェラー研究所の粒子加速器から絶対零度に近い温度で超流動ヘリウムの層に反ミュオンを発射しました。超流動ヘリウムは、極低温で非常に特殊な特性を示す特殊な量子流体です。
超流動ヘリウムに入ると、反ミュオンは急速に減速し、自由電子と結合してミューオンを形成することがあります。次に、マウスは超流動ヘリウムの特殊な化学的ポテンシャルにさらされます。液体の表面に到達すると、この化学ポテンシャルに蓄えられたエネルギーが運動エネルギーに変換され、ネズミが液体の表面から垂直に上向きに飛行します。
研究者たちは、このプロセスを明確に「原子砲」と呼んでいます。
過去に生成された乱雑なミュオンと比較して、新しい方法では、より安定した速度とより平行な運動方向を持つ「コールド」ムチン ビームを生成できます。ここでいう「冷たい」とは、単に温度が低いという意味ではなく、これらの原子の運動速度分布がより集中しており、ほぼ平行な方向に比較的一定の速度で伝播できることを意味する。
これは次の重力実験にとって非常に重要です。ミュオンは数マイクロ秒しか存在できないため、研究者は製造、飛行、測定までの全プロセスを非常に短い時間で完了できるようにする必要があります。超流動ヘリウムは、より規則的なミューオンのビームを生成するのに役立つだけでなく、ミューオンが液体から出る前に多数の衝突や散乱を避けることもできます。
研究者らの次のステップは、原子干渉計を使用して実際の重力測定を行うことです。原子には波動と粒子の二重性があるため、光波のように干渉する可能性があります。科学者は、精密に設計された干渉装置にネズミの原子のビームを通し、地球の重力によって生じる干渉パターンに極めて小さな変化が生じるかどうかを観察します。
この偏向を正確に測定できれば、地球の重力場におけるミュオンの動きを計算できるため、第 2 世代の粒子が通常の物質と同じ自由落下の法則に従うかどうかを直接テストできます。
研究チームは、今年、新たに作成された原子ビームを使用して、最初に実験アプローチ全体をテストしたいと考えています。すべてが順調に進めば、実際のミュオン重力実験は今後2～3年以内に実施される予定だ。
このテクノロジーには他の用途もあります。現在では、より高強度でより規則的なミュオン ビームが利用できるため、研究者はそれを使用して、より正確なレーザー分光実験を行うこともできます。これらの測定は、科学者がミューオンの質量やその他の基本的な物理定数をさらに決定するのに役立つと期待されています。
本当に興味深いのは、実験で「予期せぬ結果」が得られる可能性があることです。
もしネズミが重力場で通常の物質とは異なる挙動をするとしたら、それは既存の物理理論に何らかの未発見の要因があることを意味するでしょう。研究者らは、この異常は、考えられる理論的説明の中でも特に、まだ発見されていない「第 5 の基本的な力」を示している可能性があると考えています。
現在、物理学では、重力、電磁相互作用、強い相互作用、弱い相互作用という 4 つの基本的な相互作用が確認されています。物理学者たちはこれまで、5番目の基本的な力が存在する可能性についてさまざまな理論モデルを提案してきましたが、これまでのところ受け入れられた直接的な実験証拠はありません。
しかし、研究チームはこの実験を「第五の力を見つける」ために計画したわけではありません。研究者らは、この実験の最も直接的かつ重要な目的は、実はもっと根本的なものであり、第二世代の素粒子で構成されたミュオンが重力質量と慣性質量の間の同等の関係に従うかどうかを初めて測定することであると強調した。
したがって、この研究は現時点ではアインシュタインの理論を覆すものではなく、第 5 の力を発見するものでもありません。科学者たちは、この問題を実際に測定できる実験技術をついに構築しました。
最終結果が一般相対性理論の予測と一致する場合、等価原理が私たちがよく知っている第一世代の物質だけでなく、第二世代の素粒子にも適用されることがさらに証明されます。結果が既知の誤差では説明できない信頼性の高い方法で逸脱している場合、物理学者は既存の理論を再検討し、この異常を説明できる新しい物理メカニズムを探す必要があります。
言い換えれば、このいわゆる「原子砲」が本当にターゲットにしているのは、アインシュタイン自身ではなく、何百年も続いてきた根本的な疑問、つまり、宇宙のさまざまな種類の物質が本当に同じように重力を感じているのかどうかということです。
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