大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構
国立大学法人 東海国立大学機構 名古屋大学
J-PARCセンター
本研究成果のストーリー
Question
一般相対性理論と量子力学の統一理論構築は現代物理学の大きな課題です。一般相対性理論は重力と加速度の等価性に立脚しています。しかし、量子状態の加速度下における振る舞いは限られた実験でしか検証されていませんでした。
Findings
我々は凹面鏡に中性子ビームを沿わせると遠心加速度によって表面を這うような量子状態が現れることに着目しました。中性子が地球重力の700万倍に相当する加速度下で作る量子状態の観測に成功し、量子力学が正しく成り立つことをパルス中性子で初めて検証しました。測定の感度自体は1万分の1に相当し、今後より精密な凹面鏡と量子力学計算を用いることで精度をさらに高めることが可能です。
Meaning
本研究の検証精度を高め、地球重力によって束縛された量子状態の結果と比較することで、量子力学における等価原理の検証がこれまで実現されていなかった高い精度で可能となります。また、1万分の1という高い感度を活かして10ナノメートルの到達距離を持つ未知短距離力の探索にも有望です。
(2) 量子状態の観測結果と理論計算との比較。古典力学の場合は点線で囲まれたくさび形領域の内側に一様に分布します。
(3) 図1(2)の発散角-0.1から0.1 mradの範囲を抜き出した分布。実験データが量子力学の曲線とよく合っていることが分かります。
概要
一般相対性理論と量子力学との統一的な理解は現代物理学の大きな課題です。しかし、扱うスケールが大きく異なる一般相対性理論と量子力学の両方を同時に検証するのは難しく、実験の例は限られていました。その中で、中性子を用いた実験、干渉計や超冷中性子の重力による束縛状態の観測などは、重力と量子力学が同時に現れる中性子のユニークな物理系として、数十年に渡って大きな関心を集めてきました。
凹面鏡に冷中性子ビームを沿わせると遠心加速度によって表面を這うような量子状態が現れます（図1(1)）。ここで、等価原理、つまり重力と加速度が等価であることを使うと、遠心加速度によって束縛される量子状態を重力によって束縛される量子状態のアナロジーとみなすことができます。つまり、凹面鏡の表面を這う運動を、床の上で弾むボールのような運動とみなすことができます（図2）。これにより、仮想的な重力下の量子状態を探索することができます。
本研究で、大強度陽子加速器施設（J-PARC）の物質・生命科学実験施設（MLF）で生成されるパルス状の冷中性子ビームと、精密に研磨された凹面鏡を使って実験を行いました。測定と理論計算の結果を比較したところ、遠心加速度が地球重力の700万倍の状況でも量子力学が正しく成り立っていることを2%の精度で検証することができました。さらに、より高い精度での測定のためには、凹面鏡の粗さだけではなく、より広い範囲でのうねりを抑える必要があることが分かりました。
測定の精度は1万分の1であると見積もられたため、理想に近い形状の凹面鏡と凹面鏡の形状を取り入れた量子力学計算を行うことで、より高い精度での検証が可能となります。高い精度を活かして、凹面と中性子の間に働く到達距離10 nmの未知短距離力探索に応用することも可能です。
詳しくは プレスリリース をご参照ください。
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