ブラック ホールの遠方での衝突によって生成された惑星を通過する最強の重力波でさえ、原子の直径の 1,000 分の 1 だけ地球の表面 1 マイルを伸縮します。時空の構造におけるこれらの波紋がどれほど小さいかを想像することは困難であり、それらを検出することは言うまでもありません。しかし、2016 年、物理学者は何十年にもわたってレーザー干渉計重力波天文台 (LIGO) と呼ばれる機器の構築と微調整に費やした後、1 つを得ました。
現在、100 近くの重力波が記録されており、目に見えないブラック ホールの風景が広がっています。しかし、それは話の一部に過ぎません。
重力波検出器はいくつかの副業を拾っています.
カリフォルニア工科大学の物理学者である Rana Adhikari は、次のように述べています。
これらの検出器の極度の感度に触発されて、研究者はそれらを他のとらえどころのない現象を検索するために使用する方法を考案しています:とりわけ暗黒物質、銀河を一緒に保持する非発光物質.
12 月、カーディフ大学の Hartmut Grote が率いるチームは、Nature で報告しました。 彼らは、重力波検出器を使用して、銀河内およびその周辺で失われた質量のあまり知られていない候補であるスカラー場暗黒物質を探しました。チームは信号を見つけられず、大規模なクラスのスカラー フィールド暗黒物質モデルを除外しました。現在、その物質は通常の物質に非常に弱い影響を与える場合にのみ存在することができます — 以前に可能であると考えられていたよりも少なくとも 100 万倍弱いです。
「これは非常に素晴らしい結果です」と、ミシガン大学の重力波天文学者キース・ライルズ氏は述べていますが、この研究には関与していません。
数年前まで、暗黒物質の主な候補は、他の素粒子に似た動きが遅く、弱く相互作用する粒子、一種の重いニュートリノでした。しかし、これらのいわゆる WIMP の実験的な検索は手ぶらで行われ続けており、無数の代替手段の余地があります.
カリフォルニア工科大学の理論物理学者であるキャスリン・ズレックは、「暗黒物質の探索において、あらゆる場所を調査する段階に到達しました」と述べています。
1999 年に 3 人の物理学者が、暗黒物質は非常に軽く多数の粒子で構成されているのではないかと提案した。この「スカラー フィールド」は空間の各点で値を持ち、その値は固有の周波数で振動します。
スカラー場暗黒物質は、他の粒子と基本的な力の特性を微妙に変更します。たとえば、電子の質量と電磁力の強さは、スカラー場の振動振幅で振動します。
何年もの間、物理学者は、重力波検出器がそのようなぐらつきを検出できるかどうか疑問に思っていました.これらの検出器は、干渉法と呼ばれるアプローチを使用してわずかな外乱を感知します。まず、レーザー光は「ビームスプリッター」に入射し、光を分割し、L字型のアームのように互いに直角な2方向にビームを送り出します。ビームは両アームの先端にあるミラーで反射し、再び元の位置に戻ります。 Lのヒンジと再結合。戻ってきたレーザー ビームが同期から外れている場合 (たとえば、通過する重力波によって干渉計の一方のアームが一時的に長くなり、他方のアームが収縮するなど)、明暗縞の明確な干渉パターンが形成されます。
スカラー場暗黒物質がビームの同期を外し、干渉パターンを引き起こす可能性はありますか? Grote 氏は、「一般的な考えは、歪みは両方の腕に等しく影響し、相殺されるというものでした。しかし、2019 年になって、Grote は気づきました。 「ある朝目が覚めたとき、突然アイデアが浮かびました。ビームスプリッターはまさに私たちが必要としているものです。」
ビーム スプリッターは漏れやすい鏡のように機能するガラスのブロックで、表面に当たる光の平均で半分を反射し、残りの半分は透過します。スカラー場暗黒物質が存在する場合、場がピーク振幅に達するたびに、電磁力の強度が弱まります。 Grote は、これによりガラス ブロック内の原子が収縮することに気付きました。フィールドの振幅が低下すると、ガラス ブロックが膨張します。このぐらつきは、透過光に影響を与えることなく、反射光が移動する距離を微妙にシフトします。したがって、干渉パターンが表示されます。
Grote の大学院生である Sander Vermeulen は、コンピューターの助けを借りて、ドイツの GEO600 重力波検出器からのデータを検索し、スカラー フィールド暗黒物質の数百万の異なる周波数から生じる干渉パターンを探しました。彼は何も見ませんでした。 「暗黒物質が見つかった場合、それは何十年にもわたる発見になるため、残念です」と Vermeulen 氏は述べています。
しかし、捜索は「釣りの遠征」に過ぎなかった、とズレックは言った。スカラー フィールドの周波数と、他の粒子 (したがってビーム スプリッター) に対するその影響の強さは、ほとんど何でもありえます。 GEO600 は特定の範囲の周波数のみを検出します。
このため、GEO600 検出器でスカラー フィールド暗黒物質を検出できなかったからといって、その存在が除外されるわけではありません。 「暗黒物質を探すための新しいツールを手に入れたという証拠です」と Grote 氏は述べています。 「私たちは捜索を続けます。」彼はまた、干渉計を使用して、もう 1 つの人気のある暗黒物質の候補であるアクシオンを探索することも計画しています。
一方、Riles と彼の同僚は、ルイジアナ州リビングストンとワシントン州ハンフォードに検出器を持つ LIGO と、そのパートナーであるイタリアのピサ近くにある Virgo 検出器からのデータで「暗黒光子」の兆候を探しています。暗黒光子は、ほとんどが他の暗黒物質粒子と相互作用する仮想的な光のような粒子ですが、通常の原子に衝突することもあります。それらが私たちの周りにいる場合、いつでも干渉計の一方のミラーを他方より強く押して、アームの相対的な長さを変化させます。 「ランダムに変動するだけで、一方向に不均衡が生じる傾向があります」とRilesは言いました。 「それで、それを悪用しようとします。」
暗光子の波長は太陽と同じくらい広い可能性があるため、ハンフォードの干渉計のミラーを乱す任意のランダムな変動は、5,000 キロメートル近く離れたリビングストン検出器にも同じ影響を及ぼし、ピサでは相関する影響を及ぼします。しかし、研究者はデータにそのような相関関係を発見しませんでした。昨年報告された彼らの結果は、暗黒光子が実際に存在する場合、以前に許容されていたよりも少なくとも 100 倍弱いに違いないことを意味します。
Adhikari は、重力波検出器が数百キログラムの「人間サイズ」の暗黒物質粒子を検出することさえできると提案しています。これらの重い粒子が検出器を通過すると、LIGO のミラーとレーザー ビームを重力で引き付けます。 「粒子が通過するときに、ビームのパワーにわずかなまばたきが見られるでしょう」と Adhikari 氏は述べています。 「L字型検出器全体は、これらの粒子を取得できる一種のネットです。」
これらの敏感な楽器は他に何をキャッチできますか？ Adhikari は、カリフォルニア工科大学で新しい干渉計を開発しており、重力のいくつかの量子理論が想定しているように、時空がピクセル化されている兆候を探しています。 「それは常に物理学者の夢です。実験室で量子重力を測定できますか?」従来の通念では、このようなわずかな距離を探ることができる検出器は大きすぎて、自重で崩壊してブラック ホールになると考えられていました。しかし、Zurek は、Adhikari のセットアップまたはカーディフの Grote の研究室での別の実験で、量子重力を検出可能にするアイデアに取り組んでいます。
他の量子重力理論では、時空はピクセル化されていません。代わりに、量子粒子の 2D システムから現れる 3D ホログラムです。 Zurek は、これも重力波検出器で検出できる可能性があると考えています。ホログラフィックに 3D に投影されると、2D 空間の小さな量子ゆらぎが増幅され、干渉計が拾うのに十分な大きさの時空の波が発生する可能性があります。
「私たちがこれに取り組み始めたとき、人々は『何のことを言っているんだ?あなたは完全に頭がおかしくなっています」とズレックは言いました。 「今、人々は耳を傾け始めています。」
