史上最小かつ最も正確な測定には、これまでに製造された最大の科学機器の 1 つが必要でした。 5 年前、レーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) は、陽子の幅のわずか 10,000 分の 1 の時空のさざなみを検出しました。これは、最も近い星までの距離を 1,000 分の 3 に特定することと同等の技術的偉業です。センチメートルの。リリプティウスの波紋は重力波であり、地球から 10 億光年以上離れた 2 つのブラック ホールの衝突によって生成された宇宙構造の歪みです。
アルバート・アインシュタインの一般相対性理論によれば、巨大な物体の加速は、船が水中で波を生み出すのと同じように、時空に波を生み出します。しかし、アインシュタイン自身は、重力波は弱すぎて検出できないと考えていました。彼は過度に悲観的ではありませんでした。 1999 年に完成し、2001 年に波の探索を開始した LIGO の長さ 4 キロメートルの干渉計は、最終的に 1 つを見つけるまでに 13 年かかりました。この発見は、天文学の新しい分野の始まりを示し、天文台の 3 人の物理学者にノーベル賞をもたらしました。それ以来、この実験ではさらに十数個の重力波イベントが検出されています。現在、ちょうど LIGO がその成果を上げようとしているときに、物理学者のチームが、長さわずか 1 メートル (4,000 回) のポータブル重力検出器を構築する方法を概説しました LIGO より小さい。
この提案は New Journal of Physics に間もなく掲載されます。 奇妙な量子力学的現象を利用して重力波の通過を明らかにする検出器について説明しています。 「実験側から知っておくべき最初で最も重要なことは、それを構築するのは非常に難しいということです」と、イギリスのウォリック大学の物理学者であり、研究の共著者の 1 人である Gavin Morley は言います。チームが成功すれば、新しいデバイスは、世界中の多くの研究所で再現できる重力波を検出するはるかにコンパクトな方法を提供するでしょう.
相殺する波
物理学者は、提案されたデバイスをメゾスコピック干渉フォー メトリックと曲率 (MIMAC) と呼んでいます。サイズの大きな違いにもかかわらず、MIMAC と LIGO はどちらも同じ効果を求めています。光速で移動する重力波によって引き起こされる時空のリズミカルな伸縮です。
LIGO の場合、2 つの同一の機器 (1 つはルイジアナ州リビングストン、もう 1 つはワシントン州ハンフォード) が、局所的な重力効果による誤った信号を排除するために構築されました。各サイトには、長さ 4 キロメートルの真空チャンバーが 2 つあり、それらが 90 度の角度で交わり、景観上に大きな L を形成しています。各真空チャンバーの両端には、高純度のシリカでできた 40 kg のミラーが取り付けられています。レーザー ビームは、L の隅にある光検出器によって監視され、ミラーの間を常に行ったり来たりします。
LIGO は、通常の状態では、各アームからの光波が検出器で出会うと相殺されるように設計されています。各アームの光の山と谷が重なり合うため、信号は到達しません。しかし、重力波がアームを通過すると、周期的にアームの一方が伸び、もう一方が圧縮され、長さが陽子の直径の何分の一かだけ変化します。その後、光波は互いに打ち消し合いません。通過する重力波と同期して検出器に光パルスを送信し、独特のちらつきパターンを作成します。
では、長さ 1 メートルのデバイスで同じ偉業を達成するにはどうすればよいのでしょうか。 MIMAC の重要な構成要素は、100 万分の 1 メートル以下のダイヤモンド粒子です。研究者たちは、そのようなダイヤモンドを量子重ね合わせ (ダイヤモンドが 2 つの異なる位置を同時に占有する状態) にし、重力波と相互作用するのを待ちたいと考えています。
欠陥のあるダイヤモンド
モーリーに加えて、チームには、ユニバーシティ カレッジ ロンドンの Sougato Bose、Peter Barker、Ryan Marshman と、オランダのフローニンゲン大学の Anupam Mazumdar と Steven Hoekstra が含まれます。重ね合わせを作成するために、彼らは、ダイヤモンドの炭素原子の結晶格子に製造された欠陥に結合した単一の電子にマイクロ波を照射します。 (欠陥は、炭素の均一な配列に挿入された単一の窒素原子で構成されています。) その後、量子理論の並外れた規則が作動します。電子は、マイクロ波光子を吸収する場合と吸収しない場合の両方を同時に行い、量子重ね合わせを作成します。ダイヤモンドの。光子を吸収したダイヤモンド ドッペルゲンガー内の電子は、いわゆる「スピン 1」状態にシフトします。つまり、独自の磁場を持つ小型の磁石のように動作します。ダイヤモンドのもう一方のバージョンの電子は、磁気的に中性の「スピン ゼロ」状態のままになります。 Bose と彼の同僚は、外部磁場を適用することによって、重ね合わせのスピン 1 の部分を中立の部分から引き離し、それらを 1 メートルほど離すことが可能であると述べています。最後に、物理学者は磁場を反転させて、ダイヤモンドの 2 つの位置を元に戻し、最後のマイクロ波パルスを 1 回照射します。
その最後のパルスは、別の奇妙な量子効果を引き起こすでしょう。量子領域では、粒子は実際には粒子そのものではありません。それらは実際には波であり、その形状とサイズは、特定の位置で「粒子」を見つける確率に対応しています。マイクロ波の最後のバーストを調整して重ね合わせの形状を変更し、スピン 1 状態の山と谷が重なり合って打ち消し合い、スピン 0 状態の山が重なり合って互いに補強し合うようにします。したがって、外部からの干渉がなければ、電子を測定すると常にスピンゼロの状態にあることがわかります。
しかし、検出器に重力波が押し寄せると重ね合わせが引き伸ばされ、その形状が変化して、再結合したときにその成分が整列しなくなる。歪んだ重ね合わせの測定結果は、重力波の周波数と同期してスピン 1 状態がデータ内で上昇するなど、さまざまな結果をもたらします。
そのシナリオは少なくとも理論です。実用的なモデルの構築には数十年かかる場合があります。この提案には関与していないイスラエルのネゲブ・ベン・グリオン大学の実験物理学者であるロン・フォルマンは、このアイデアを「大胆」と呼んでいます。量子粒子が環境と相互作用しないようにシステムを隔離することは、非常に困難になると彼は言います。 「これは非常に難しい実験です」と彼は付け加えますが、「十分な献身的な努力があれば、私たちが生きているうちに実現するかもしれません」
最大の課題の 1 つは、1 メートルの距離にわたって安定した状態を維持できるダイヤモンドの重ね合わせを作成することです。 4 年以上前、スタンフォード大学の研究者は、10,000 個の原子からなる重ね合わせを現在の記録である約 0.5 メートル分離することに成功しました。 「しかし、10 億個または 100 億個の原子を持つダイヤモンドでそれを行うことについて話していますが、それははるかに困難です」と Mazumdar 氏は言います。
高真空、超低温、正確に制御された磁場など、デバイスに必要なその他の技術の多くは、さまざまなグループによって別々に達成されています。しかし、それらをまとめるのは簡単ではありません。 「ジャグリングと自転車に乗れるからといって、同時に両方できるわけではありません」と Morley 氏は言います。
この装置が作られれば、重力波天文学を一変させる可能性があります。世界の現在の重力波検出器はすべて地面にしっかりと固定されています。 「LIGO が持つことができる唯一の向きは、地球の自転によるものです」と Bose 氏は言います。一方、MIMAC などの小さな検出器は、空のどの方向にも向けることができます。そして、世界中のどの物理学研究室でもそれを収容できます。 「課題は、そのうちの 1 つを機能させることです」と Bose 氏は言います。 「そのうちの 1 つが機能する場合、さらにいくつかを作成するのは非常に簡単です。」
