スイスの研究者たち、冷中性原子ビームを用いてアインシュタインの重力理論をテスト

チューリッヒ連邦工科大学（ETH Zurich）とポール・シェラー研究所（PSI）のヴィリゲン拠点の研究者たちは、強い冷中性原子ビームの生成に成功した。このビームはアインシュタインの重力理論をテストするために使用される予定である。この冷中性原子ビームはミューオニウム（muonium）で構成されており、ミューオニウムは第二世代の反粒子であり、研究者たちは重力との相互作用をテストし、他のまだ見つかっていない自然界の力が存在するかどうかを解明したいと考えている。私たちの周囲に見られる物質は陽子、中性子、電子からなり、科学者たちはこれらを第一世代粒子と呼んでいる。

ミューオンの特性と実験の課題

残る二世代の粒子はより重いが、不安定であり、急速に第一世代粒子へと崩壊する。ミューオンは第二世代粒子における電子の重い親戚である。PSIの研究者たちは粒子加速器を用いてミューオンとその反粒子を生成することに成功し、この反ミューオンが電子と結合すると、中性のミューオニウム原子が形成される。研究者たちはミューオニウム原子が重力下でどのように落下するかを測定したいと考えている。

ガリレオの時代からニュートン、そしてアインシュタインに至るまで、物理学者は自由落下の普遍性を確認してきた。この等価原理は、重力場におけるすべての物体は、その質量や内部構造に関わらず、同じ加速度で落下すると述べている。アインシュタインはこの原理を有名な相対性理論の礎と見なしたが、これまで第一世代の物質および反物質粒子に対してしかテストされてこなかった。ミューオニウムでの測定は、第二世代粒子に対する初めてのテストとなる。ミューオンは電荷を持たないため、この実験に非常に適している。対照的に、電荷を帯びた粒子は浮遊磁場の影響を受け、微弱な重力効果をかき消してしまう可能性がある。

将来の実験計画

このような実験を行う上での主要な障害の一つは、ミューオンの急速な崩壊である。ミューオンは2.2マイクロ秒という速さで崩壊するため、過去の試みで生成されたミューオンもそれぞれ異なる速度で移動しており、これが実験を困難にしていた。PSIの研究者たちは量子流体を利用して安定したミューオニウム原子流を生成した。PSIの研究者であるジェシー・チャン（Jesse Zhang）はプレスリリースで次のように説明している。「我々は絶対零度（摂氏−273度）に近い超流動ヘリウムを用いました。超流動ヘリウムは量子液体であり、個々のヘリウム原子がその性質を失い、内部の不純物を嫌います。」PSIの粒子加速器で生成された反ミューオンが量子液体に照射され、自由電子と出会うことでミューオニウム原子が形成される。

この反応で生じる正の化学ポミューシャルがミューオニウム原子を表面へと押し出し、化学ポミューシャルが運動エネルギーに変換されることで、原子は液体から垂直に飛び出す。

研究者たちは現在、ミューオニウム原子の波動特性を利用して干渉パターンを作成し、ミューオンへの重力の影響を検出する干渉計の構築を計画している。この装置の構築には2年から3年かかる可能性があるが、準備が整えば、長年未解決であった重要な問い、つまり重力が異常物質に対して異なる作用をするのかどうか、に答えることになる。もし重力が実際に異なる作用をしているなら、第五の自然界の力の存在が示唆される。現在、チームは等価原理が第二世代粒子にも適用されるかどうかの確定に注力している。研究結果は『Nature Physics』誌に掲載された。

重力理論テストの展望と課題

冷中性原子ビームの研究は、アインシュタインの重力理論への挑戦だけでなく、物理学の未解決の謎を探求する上でも重要な一歩である。第二世代粒子としてのミューオンは、その特性により理想的な実験対象であり、新たな知見をもたらす可能性がある。研究者たちが直面する課題はミューオンの急速な崩壊であり、これを克服するには革新的な技術が必要となる。将来の干渉計は、異なる粒子への重力の影響を明らかにするのに役立つだろう。もし結果が異常を示せば、自然界における力に対する私たちの理解が変わり、第五の自然界の力の概念が導入される可能性もある。