核分光法のブレークスルー、自然界の基本定数を書き換える可能性

July, 12, 2024, Los Angels--50年近くにわたり、物理学者たちは、レーザを使って原子核のエネルギー状態を上昇させることで、その秘密を解き明かすことができることを夢見てきた。この成果により、現在の原子時計を、史上最も正確な原子時計に置き換えることができ、深宇宙航行や通信などの進歩が可能になる。また、科学者は、自然界の基本的な定数が実際に本当に一定なのか、それともわれわれがまだ十分に正確に測定していないために、単に一定であるように見えるだけなのかを正確に測定することができる。

今、UCLAの物理学と天文学の教授であるEric Hudsonが率いる取り組みが、一見不可能に思えることを成し遂げた。同教授らは、透明度の高い結晶にトリウム原子を埋め込んでレーザを照射することで、トリウム原子の原子核を原子の中の電子のように光子を吸収・放出させることに成功した。この驚くべき偉業は、Physical Review Letters誌に掲載された論文で説明されている。

これは、現在原子電子を使用して行われている時間、重力、その他の場の測定が桁違いに高い精度で行われることを意味する。その理由は、原子電子は環境内の多くの要因の影響を受け、光子の吸収と放出の方法に影響を与え、精度が制限されるためである。一方、中性子と陽子は原子核内に結合して高濃度であり、環境擾乱の影響を受けない。

この新技術を使えば、原子をつなぎとめる力の強さを決める微細構造定数などの基本定数が変化するかどうかを判断できるかもしれない。天文学からのヒントは、微細構造定数が宇宙のどこでも、またはすべての時点で同じではない可能性があることを示唆している。微細構造定数の核時計を用いた精密な測定は、これらの最も基本的な自然法則のいくつかを完全に書き換えることができる。

「核力は非常に強いため、原子核内のエネルギーは電子のエネルギーの100万倍も強いことになる。つまり、自然界の基本定数が逸脱すると、原子核の変化ははるかに大きく、より顕著になり、測定の感度が桁違いに高くなる。これらの測定に核時計を用いることで、これまでで最も感度の高い『一定の変動』のテストが可能になり、今後100年間、これに匹敵する実験は行われないと考えられる」(Hudson)。

同氏のグループは、結晶にドープされたトリウム229原子核をレーザで刺激する一連の実験を最初に提案し、過去15年間を費やして新たに発表された結果を達成した。原子核内の中性子をレーザ光に反応させることは、光に反応しやすい電子に囲まれているため、実際に原子核に到達できる光子の数を減らす可能性があるため、困難である。光子の吸収などによってエネルギー準位が上昇した粒子は、「励起」状態にあると言われる。

UCLAのチームは、フッ素を豊富に含む透明な結晶の中にトリウム229原子を埋め込んだ。フッ素は他の原子と特に強い結合を形成し、原子を懸濁させ、蜘蛛の巣の中のハエのように原子核を露出させる。電子はフッ素と非常に強く結合していたため、電子を励起するのに必要なエネルギー量が非常に多く、低エネルギーの光が原子核に到達することを可能にした。トリウム原子核はこれらの光子を吸収して再放出し、原子核の励起を検出して測定することができる。研究チームは、光子のエネルギーを変化させ、原子核が励起される速度をモニタすることで、原子核励起状態のエネルギーを測定することができた。

「これまで、レーザでこのような核移行を推し進めることはできなかった。透明な結晶でトリウムを固定すれば、光でトリウムに話しかけることができる」(Hudson)。

同氏によると、この新技術は、センシング、通信、ナビゲーションなど、極めて正確な計時が求められるあらゆる場面で活用できる。既存の電子をベースとした原子時計は、原子を閉じ込めるための真空チャンバーと冷却装置を備えた部屋サイズの装置。トリウムベースの原子核時計は、はるかに小さく、より堅牢で、よりポータブルで、より正確である。

「時計にワクワクする人はいない。時間が限られているという考えが嫌いだからである。しかし、われわれは毎日、携帯電話やGPSを機能させる技術など、常に原子時計を使っている」(Hudson)。

この新しい核分光法は、商業的な応用を超えて、宇宙最大の謎の幕を引く可能性がある。原子核を高感度に測定することで、原子核の特性やエネルギーや環境との相互作用について学ぶ新しい方法が開かれる。これにより、科学者は物質、エネルギー、空間と時間の法則に関する最も基本的なアイデアのいくつかを試すことができる。

「人間は、地球上のほとんどの生命と同様に、宇宙で実際に何が起こっているのかを観察するには、小さすぎたり大きすぎたりするスケールで存在している。われわれの限られた視点から観察できるのは、サイズ、時間、エネルギーの真ざまなスケールでの効果の集合体であり、われわれが定式化した自然の定数は、このレベルで保持されているようだ」。

「しかし、もっと正確に観察できれば、これらの定数は実際には変化するかも知れない。われわれの研究は、これらの測定に向けて大きな一歩を踏み出したが、いずれにせよ、われわれが学んだことに驚くことは間違いない」(Hudson)。

この研究は、米国国立科学財団から資金提供を受けた。

「何十年にもわたって、基本定数の測定精度が高まったことで、あらゆるスケールで宇宙をよりよく理解し、その後、経済を成長させ、国家安全保障を強化する新技術を開発することができた」と、研究に資金を提供したNSFの数理物理科学局のDenise Caldwell副局長代理はコメントしている。「この原子核ベースの技術により、いつの日か、科学者がいくつかの基本定数を非常に正確に測定できるようになるため、それらを『定数』と呼ぶのをやめなければならないかも知れない」。