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広島大学大学院先進理工系科学研究科物理学フ?ロク?ラム 准教授 本間 謙輔
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本研究成果のポイント
- 现代物理学最大级の未解决问题の1つである、暗黒エネルギー源の解明に向け、その键となり得る新粒子を実験室で直接的に検証する手法を初めて提唱しました。
- 修正重力理论と呼ばれる一般相対性理论を超える重力理论は、”カメレオン”が背景に合わせて保护色に変わるが如く、周囲の环境に応じて质量が変化する暗黒エネルギー源を予言します。この特徴を反映した新粒子を、実験室で背景环境を変えながら探索することで、暗黒エネルギーの起源となりうる修正重力理论を検証することが可能になります。
- 実験室で全てが制御できるため、既存の宇宙観测とは完全に独立した実験的制限を与えることが可能になります。
- 副产物として、暗黒物质となり得る軽量新粒子と光子との结合の强さに対して、既存の地上実験と比较して10桁以上更新できます。つまり、同一手法により暗黒エネルギーも暗黒物质も探索网にかけられる可能性があります。
概要
华中师范大学天文物理研究所の桂川大志准教授、吉林大学理论物理学センター兼物理学院の松崎真也教授、広岛大学大学院先进理工系科学研究科の本间谦辅准教授らの国际共同研究チームは、波长の异なる２つのマイクロ波の混合により、未知素粒子を直接的に生成?崩壊させる探索方法に基づき、崩壊信号量の急峻な圧力依存性から暗黒エネルギーの正体を探る手法を提案しました。特に、修正重力理论の代表である贵(搁)重力理论は、周囲の环境に応じて性质を変える暗黒エネルギーを予言します。この”カメレオン”的侧面に着目し、将来的に到达可能な実験精度において、理论の検証が可能であることを示しました。
本研究の成果は、米国の科学雑誌「Physical Review D」に 2022年8月3日にオンライン出版されました。プリント版は8月15日に出版予定です。
背景
ハッブル?ルメートルの法则として知られる宇宙の膨张に加えて、超新星の観测などから、现在の宇宙は加速的に膨张していることが知られています。この加速膨张は暗黒エネルギーの存在によって説明できると考えられています。これまでの観测结果から、暗黒エネルギーは质量スケールで10のマイナス33乗电子ボルト摆1闭という极めて小さなエネルギーながら、现在の宇宙のエネルギー密度収支の约70％を占めていると分かっています。一方で、その正体は依然明らかになっておらず、现代物理学の最大级の未解决问题の１つとなっています。暗黒エネルギーの候补としては、アインシュタインによって提唱された一般相対性理论から予言される宇宙定数と呼ばれるエネルギーが広く知られています。しかし、この宇宙定数では暗黒エネルギーの小ささや、现在の宇宙における占有率の説明が困难であるとも知られています摆2闭。この问题を动机として、一般相対性理论を超える重力理论により、暗黒エネルギーを説明する研究が続けられています。このような理论は修正重力理论と呼ばれます。宇宙定数が时间変化しない一定のエネルギーであるのに対し、修正重力理论が予言する暗黒エネルギーはそれ自身が动的な性质を持ちます。また、素粒子物理の観点からは、この暗黒エネルギーは新粒子として解釈され、新粒子探索実験によって修正重力理论の検証が可能となります。
研究の成果
本研究では、修正重力理论を代表する贵(搁)重力理论摆3闭に着目しました。この理论では、暗黒エネルギーは”カメレオン”と呼ばれるスカラー粒子として记述され、光とも相互作用すると予言されています。この相互作用は重力结合程度と极めて弱く摆4闭、これまで地上実験による直接検証は困难と考えられてきましたが、マイクロ波诱导共鸣散乱の构想では、この相互作用を検証できる精度にまで到达可能であり摆5闭、したがって贵(搁)重力理论とその暗黒エネルギーを地上実験で直接探索することができます。
図1のように贵(搁)重力理论においては、物质の密度に応じて暗黒エネルギー源（カメレオンφ）の质量尘冲?が周囲の环境によって変化します。この质量の変化はカメレオン机构と呼ばれます摆6闭。マイクロ波を混合する容器内のガスの种类と圧力を操作し背景原子密度を変化させることで、この机构を人工的に诱発できると期待されます(図２)。本研究では、想定したガス圧によって、カメレオンの质量は、真空中の暗黒エネルギースケール10のマイナス33乗电子ボルトから、２７桁上の10のマイナス６乗电子ボルト程度にまで増大し、観测される信号の急峻な圧力依存性からカメレオン机构が検証可能になると分かりました。また、カメレオン机构を持たない他の新粒子との区别も可能であることを示しました。
図１：カメレオン机构の概念図
図2：２色のマイクロ波(緑とピンク)を混合?集光すると、别波长の信号マイクロ波(青)が未知素粒子の交换を介して起こり得ます。その信号量の圧力依存性(黄色の粒で表した気体の原子密度依存性と等価)が、周囲の环境で质量を変えるカメレオンの生成かつ崩壊の証拠となります。
今后の展开
修正重力理论に基づく暗黒エネルギーが、地上実験により直接探索可能になることで、既存の宇宙论的?天体物理的な手法によって得られる観测的制限とは完全に独立した実験的制限を与えることが可能になります。さらに、期待される実験精度が実现された场合、既存の地上実験から得られる光と非常に弱く相互作用する（カメレオンも含む）超軽量新粒子に対する制限を、10桁以上更新することも可能になります。
参考资料
[1] 1%は1/100=0.01で10のマイナス２乗のことです。10のマイナス33乗とは少数点の後ろに０が32個続くという意味です。このようにゼロに限りなく近いが、有限でなければならない点が最大級の謎と言われる理由の１つです。
[2] これらの問題は宇宙定数問題として知られています。修正重力理論においては、動的に変化する暗黒エネルギーが予言され、この力学によって、宇宙定数問題の一部が解消すると期待されています。
[3] 一般相対性理論は、アインシュタイン?ヒルベルト作用と呼ばれる時空の曲率の1次関数で記述される理論ですが、これを曲率の任意関数に拡張した理論がF(R)重力理論です。F(R)重力理論は、ワイル変換と呼ばれる数学的変換を通して、一般相対性理論とスカラー場の理論に書き直すことができるため、一般相対性理論を拡張した部分はスカラー場の理論に対応します。暗黒エネルギーを説明するためには、このスカラー場の質量は暗黒エネルギーのスケールになりますが、物質場との相互作用によって、元々の質量よりも大きくなります。
[4] 原子を構成する陽子、またはそれを構成する素粒子クォークを例にすると、２つの素粒子間で働く電磁力と比べて、重力の強さは10のマイナス36乗程度小さく、素粒子の視点でみた場合、重力結合が如何に小さいかが分かります。
[5] K. Homma and Y. Kirita, Stimulated radar collider for probing gravitationally weak coupling pseudo Nambu-Goldstone bosons, JHEP 09 (2020) 095; Kensuke Homma , Yuri Kirita and Fumiya Ishibashi, Perspective of Direct Search for Dark Components in the Universe with Multi-Wavelengths Stimulated Resonant Photon-Photon Colliders, Universe 2021, 7(12), 479
摆6闭カメレオン机构は、おおよそ物质场のエネルギーによって诱発されます。ここで物质场のエネルギーは时空の曲率と解釈されます。こうして、宇宙论スケールの时空の曲率に比べて地上実験における物质密度のスケールが大きいことでカメレオン机构は働き、カメレオンはその実験系において大きな质量を获得します。
谢辞
本研究は、日本学術振興会科学研究費助成事業基盤研究(A)「レーザー誘導共鳴散乱によるXENON1T超過事象のアクシオン的解釈の検証(課題番号: 21H04474、研究代表者:本間謙輔)」、および、京都大学化学研究所共同利用?共同研究課題提案型研究(課題番号：2022-101研究代表者:本間謙輔)なと?の支援を受けて行いました。また、暗黒エネルギーの理論研究の礎を築かれ、本共同研究を始める契機ともなった故藤井保憲東京大学名誉教授に、心より感謝申し上げます。
论文情报
- 掲載誌：Physical Review D 106 (2022) no.4, 044011
- 論文タイトル：Hunting dark energy with pressure-dependent photon-photon scattering (光散乱の圧力依存性から暗黒エネルギーを捉える)
- 著者名：Taishi Katsuragawa1, Shinya Matsuzaki2, Kensuke Homma3
- 所 属:
1 Institute of Astrophysics, Central China Normal University, Wuhan 430079, China
2 Center for Theoretical Physics and College of Physics, Jilin University, Changchun 130012, China
3 Graduate School of Advanced Science and Engineering, 麻豆AV, Kagamiyama, Higashi-Hiroshima, 739-8526, Japan - doi:10.1103/PhysRevD.106.044011
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