南極近くの平方キロメートルに分散された数千のセンサーは、物理学における未解決の大きな疑問の 1 つである「量子重力は存在するのか?」に答える使命を負っています。センサーは、宇宙から地球に到着するニュートリノ (電荷を持たず、質量もほとんど持たない粒子) を監視します。コペンハーゲン大学ニールス・ボーア研究所（NBI）のチームは、ニュートリノデータを利用して量子重力が存在するかどうかを明らかにする方法の開発に貢献した。
「私たちが信じているように、量子重力が実際に存在するのであれば、これは物理学における現在の 2 つの世界を統合することに貢献するでしょう。今日、古典物理学は重力などの通常の環境における現象を説明しますが、原子の世界は量子力学を使用してのみ説明できます。
「量子論と重力の統合は、依然として基礎物理学における最も顕著な課題の 1 つです。私たちがその目的に貢献できれば非常に満足です」と NBI 助教授のトム・スタッタード氏は言います。
スタッタード氏は、同誌に掲載された論文の共著者です。 自然物理学。この記事は、NBI チームとアメリカ人の同僚による大規模な研究の結果を紹介しています。 300,000 個以上のニュートリノが研究されています。
しかし、これらは深宇宙の発生源から発生する最も興味深いタイプのニュートリノではありません。この研究のニュートリノは、宇宙からの高エネルギー粒子が窒素や他の分子と衝突することにより、地球の大気中で生成されました。
「地球の大気から発生するニュートリノを観察することには、宇宙から発生するニュートリノよりもはるかに一般的であるという実際的な利点があります。私たちの方法論を検証するには、多くのニュートリノからのデータが必要でした。これは現在達成されています。したがって、私たちは深宇宙からのニュートリノを研究する次の段階に入る準備ができています」とスタッタード氏は言います。
誰にも邪魔されずに地球を旅する
IceCube ニュートリノ天文台は、南極のアムンゼン・スコット南極点基地の隣にあります。他のほとんどの天文学および天体物理学施設とは対照的に、IceCube は地球の反対側、つまり北半球の宇宙を観察するのに最適です。これは、ニュートリノが私たちの惑星、そしてその熱く高密度の核さえも完全に貫通する能力がある一方で、他の粒子は阻止されるため、北半球から来るニュートリノの方が信号がはるかにきれいだからです。
IceCube 施設は、米国ウィスコンシン大学マディソン校によって運営されています。世界各国から 300 人以上の科学者が IceCube の共同研究に携わりました。コペンハーゲン大学は、ニュートリノ研究のための IceCube センターを備えた 50 以上の大学のうちの XNUMX つです。
ニュートリノは電荷を持たず、質量がほとんどないため、電磁力や強力な核力によって乱されることがなく、元の状態で宇宙を数十億光年も移動することができます。
重要な疑問は、ニュートリノの性質が長距離を移動しても実際にまったく変化しないのか、それとも結局のところ小さな変化が顕著なのかということである。
「もしニュートリノが私たちが疑っているような微妙な変化を起こすなら、これは量子重力の最初の強力な証拠となるだろう」とスタッタード氏は言う。
ニュートリノには3つの味がある
チームがニュートリノ特性のどの変化を探しているのかを理解するには、いくつかの背景情報が必要です。私たちはそれを粒子と呼びますが、ニュートリノとして観察されるものは、実際には一緒に生成された 3 つの粒子であり、量子力学では重ね合わせとして知られています。
ニュートリノには、電子、ミューオン、タウという 3 つの基本的な構成 (物理学者がフレーバーと呼ぶもの) があります。ニュートリノが移動するにつれて変化するこれらの配置はどれでしょうか。これはニュートリノ振動として知られる本当に奇妙な現象です。この量子の挙動は数千キロメートル以上にわたって維持され、これを量子コヒーレンスと呼びます。
「ほとんどの実験では、一貫性はすぐに壊れます。しかし、これは量子重力によって引き起こされるとは考えられていません。研究室で完璧な条件を作り出すのは非常に困難です。完全な真空が必要ですが、何らかの方法で少数の分子がなんとか侵入してしまうことがあります。
「対照的に、ニュートリノは周囲の物質の影響を受けないという点で特別です。そのため、コヒーレンスが崩れたとしても、それは人為的な実験装置の欠陥によるものではないことがわかっています」とスタッタード氏は説明する。
多くの同僚は懐疑的だった
研究結果が2016年に発表されたかどうかを尋ねた。 自然物理学 予想通りだったので、研究者はこう答えた。「私たちは、確立された理論的枠組みが存在しない実験という、科学プロジェクトの中でも珍しいカテゴリーに属しています。したがって、私たちは何を期待すればよいのかわかりませんでした。しかし、重力の量子論に期待される一般的な特性のいくつかを探索できることはわかっていました。」
「量子重力に関連する変化が見られるという期待はありましたが、それが見られなかったという事実は、それが現実であることをまったく排除するものではありません。大気中のニュートリノが南極施設で検出されると、通常、ニュートリノは地球を通過したことになります。これは約 12,700 km を意味します。これは、遠い宇宙から発生するニュートリノと比較すると非常に短い距離です。明らかに、量子重力が存在する場合、影響を与えるにははるかに長い距離が必要です」とスタッタード氏は述べ、研究の最大の目標は方法論を確立することであったと述べた。
「何年もの間、多くの物理学者は実験で量子重力を試すことができるかどうか疑問に思っていました。私たちの分析は、それが実際に可能であることを示しており、天体物理学ニュートリノを用いた将来の測定と、今後 10 年間に構築されるより正確な検出器によって、最終的にこの基本的な疑問に答えられることを期待しています。」