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物理学者が 2 月に重力波を直接検出したと発表したとき、物理学の基礎はほとんど動揺しませんでした。この信号は、アインシュタインの一般相対性理論を 1 世紀にわたっていじくり回した後、物理学者がたどり着いた予想と正確に一致していました。 「質問があります。それを使って基礎物理学を行うことができますか?標準モデル以上のことはできますか？」スタンフォード大学の理論物理学者であるサバス・ディモプロスは、次のように述べています。 「そしてほとんどの人は、それに対する答えはノーだと考えています。」
アシミナ・アルヴァニタキはその一人ではありません。オンタリオ州のペリメーター理論物理学研究所の理論物理学者である Arvanitaki は、2010 年に大学院の恩師である Dimopoulos などと共に論文を発表して以来、ブラック ホールを使用して自然の基本的な粒子と力を調査する方法を考えていました。彼らは一緒に、まだ発見されていない弱く相互作用する粒子のパンテオンである「string axiverse」をスケッチしました。このようなアクシオンは、暗黒物質やその他の謎を説明する有力候補として長い間支持されてきました.
それからの数年間、Arvanitaki と彼女の同僚は、一連の論文を通じてこのアイデアを発展させてきました。しかし、2 月の発表は転機となり、これらのアイデアをすべて試すことができるようになりました。アクシオンは、Arvanitaki が「ブラック ホール原子」と表現するブラック ホールに結合するため、合体するブラック ホールの新たに発見された集団からの重力波を研究することで、物理学者はこれらのアクシオンを検索できるようになります。
「それが出てきたとき、私たちは『なんてこった、今すぐやろう、これを探すつもりだ』と思った」と彼女は言った. 「実際にデータがあれば、まったく別の球技です。」
それが Arvanitaki のコツです。彼女が言うところの「やる気に満ちた」フィールド ホッピングの理論的アイデアと、それらを精査できる正確な実験を組み合わせることです。 「人々が考え慣れていることから離れて考えると、インターフェイスに簡単に手に入る成果があることがわかります」と彼女は言いました。 4 月末、彼女はペリメーター研究所のスタヴロス ニアルコス財団のアリスタルコス チェアに指名されました。そこで研究チェアを務めた最初の女性です。
ギリシャの小さな村コクラスで育った彼女にとって、それは長い道のりでした。彼女の高校の卒業クラスは、彼女の両親が教えていた 9 人の生徒で構成されていました。 クォンタ マガジン ブラックホールを粒子検出器として使用するという彼女の計画について Arvanitaki と話しました。これらの議論の編集および要約版が続きます。
QUANTA MAGZINE:ブラック ホールがアクシオンを探すのに適した場所かもしれないと考え始めたのはいつですか?
ASIMINA ARVANITAKI:私たちがアクシスバースの論文を書いていたとき、一般相対性理論に非常に優れた物理学者である Nemanja Kaloper が来て、こう言いました。そして、私たちは「いいえ、これはあり得ません。これは起こらないと思います。これは現実的なシステムでは起こり得ません。あなたは間違っているに違いない。」そして、彼は最終的にこれが可能であると私たちに確信させ、その後、私たちはそのダイナミクスを理解するのに約1年を費やしました.
スーパーラディアンスとは何ですか?どのように機能しますか?
天体物理学のブラック ホールは回転できます。その周りには「エルゴ領域」と呼ばれる、光も回転しなければならない領域があります。ある物体を取り、それをエルゴ領域を通る軌道に投げたと想像してください。ここで、問題の中にいくつかの爆発物があり、それがばらばらになったと想像してください。その一部はブラックホールに落ち、一部は無限に逃げます。出てくる破片は、ブラック ホールに入った破片よりも総エネルギーが大きくなります。
ブラック ホールからの放射を散乱させることによって、同じ実験を行うことができます。電磁波パルスを取り、それをブラック ホールから散乱させると、戻ってきたパルスの方が振幅が大きいことがわかります。
では、ブラック ホールのスピンからエネルギーと角運動量を取り出すような方法で、ブラック ホールの近くに光のパルスを送ることができますか?
これは古いニュースです。ちなみに、これは非常に古いニュースです。 1972 年、Press と Teukolsky は Nature を執筆しました。 次のかわいいものを提案した紙。光と同じ実験を行ったと想像してみましょう。しかし今度は、巨大な鏡に囲まれたブラック ホールがあると想像してください。その場合、光は鏡で何度も跳ね返り、[光の] 振幅は指数関数的に大きくなり、放射圧によって最終的に鏡が爆発します。彼らはそれをブラックホール爆弾と呼んだ.
光がこれを行うことを可能にする特性は、光がフォトンでできており、フォトンがボソン (同じ波動関数で同時に同じ空間に存在できる粒子) であるということです。ここで、質量を持つ別のボソンがあると想像してください。ブラックホールを[周回]できます.粒子の質量は、粒子をブラック ホールの近くに閉じ込めるため、鏡のように機能します。
このように、アクシオンはブラック ホールの周りで立ち往生する可能性がありますか?
このプロセスでは、粒子のサイズがブラック ホールのサイズに匹敵する必要があります。 [アクシオン] の質量は、宇宙と同じくらい大きな量子波長で、ハッブル スケールのどこにでもあり得ることが判明しました。または、サイズが小さい粒子が存在する可能性もあります。
もし存在するなら、アクシオンは似たような大きさと質量のブラックホールに結合できる。次は?
何が起こるかというと、この束縛された軌道にある粒子の数が指数関数的に増加し始めるということです。同時にブラックホールはスピンダウンします。束縛軌道の波動関数を解くと、それらが水素の波動関数のように見えることがわかります。電磁気が原子を拘束する代わりに、それを拘束しているのは重力です。記述できる量子数は 3 つありますが、まったく同じです。水素原子で使用できる正確な用語を使用できます。
LIGO が発見したブラック ホールの中に、ブラック ホール核の周りを周回するアクシオン雲があるかどうかを確認するにはどうすればよいでしょうか?
これは、ブラック ホールからエネルギーと角運動量を抽出するプロセスです。ブラック ホールのスピンと質量を測定すると、ブラック ホールの特定の質量範囲では、急速に回転するブラック ホールが見られないことがわかるはずです。
ここで Advanced LIGO の出番です。あなたは彼らが見たイベントを見ました。 [彼らの測定値] により、合体するオブジェクトの質量、最終オブジェクトの質量、最終オブジェクトのスピンを測定し、最初のオブジェクトのスピンに関する情報を得ることができました。
ブラック ホールが合体する前のスピンを撮影した場合、それらは超放射の影響を受けている可能性があります。ここで、ブラック ホールのスピンと質量のグラフを想像してください。高度な LIGO は、私たちが聞いたことが正しければ、年間 1,000 件のイベントを取得できる可能性があります。これで、このプロットには 1000 個のデータ ポイントがあります。したがって、これらの測定値だけで、この粒子の影響を受ける領域を追跡できます。
最高ですね。
それはもちろん間接的です。もう 1 つの優れた点は、粒子の雲自体に関係する特徴があることが判明したことです。そして基本的に、彼らがしていることは、ブラック ホールを重力波レーザーに変えることです。
すごい。わかりました、それはどういう意味ですか?
ええ、それが何を意味するかは重要です。励起原子に電子の遷移があるように、重力波原子に粒子の遷移があります。これらの遷移からの重力波の放出率は、10 個の粒子によって強化されます。それは非常に単色の線のように見えます。一過性のようには見えません。非常に固定された周波数で信号を発するものを想像してみてください。
LIGO は、このようなシグナルをどこで見られると予想できますか?
Advanced LIGOでは、ブラックホールの誕生を実際に見ることができます。特定の質量と特定のスピンを持つブラック ホールが、いつ、どこで生まれたかはわかっています。したがって、探している粒子の質量がわかっている場合は、ブラック ホールがその周りに [アクシオン] クラウドを成長させ始める時期を予測できます。その日に合併が見られ、1年後または10年後に同じ位置に戻り、このレーザーがオンになり、この単色の線が雲から出てくるのを見るかもしれません.
ブラインド検索もできます。単独で宇宙を歩き回っているブラック ホールがあり、その周りにまだ雲が残っている可能性があるため、単色の重力波を盲目的に検索できます。
アクシオンとブラック ホールが組み合わさって、これほど劇的な効果が生み出されることに驚きましたか?
なんてこった、はい。あなたは何について話していますか？私たちはパニック発作を起こしました。この効果、いや、これは真実ではない、これは真実であるにはあまりにも良いことだと言ってパニック発作が何回あったか知っていますか?そうです、それは驚きでした。
あなたが提案する実験は、卓上センサーで高周波重力波を探す方法や、原子時計を使用して暗黒物質が振動するかどうかをテストする方法など、さまざまな理論的アイデアから引き出しています.標準モデルを超えた物理学に危険な賭けをすることを考えているとき、どのような種類の理論が努力する価値があると思われますか?
モチベーションが高いとは？そうでないもの：「これがあったら？」人々は次のように想像します。もし暗黒物質が別のものだったら？」たとえば、超対称性は、そこにあるべき暗黒物質の種類について予測を行います。ひも理論は、粒子の種類を予測します。これらの粒子が存在する根本的な理由は常にあります。私たちが持っている無限の理論的可能性だけではありません。
では、アクシオンはその定義に当てはまりますか?
これは、観測された中性子の電気双極子モーメントの小ささを説明するために 30 年前に提案された粒子です。世界中で、さまざまな波長ですでにそれを探しているいくつかの実験があります。この粒子は、私たちが30年間探し続けてきたものです。これは暗黒物質かもしれません。その粒子は標準モデルの未解決の問題を解決するため、探すのに適した粒子になります。
さて、素粒子が存在するか否かは、自然には答えられません。自然が答えなければなりません。
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