- JILAの研究チームがthorium-229原子核の2つの状態間の遷移を1兆分の1の精度で測定し、50年にわたり続いてきた核時計遷移のレーザー周波数探索を事実上 завершить
- thorium-229は原子核内で電磁気力と強い核力の変化がほぼ相殺される特異な例であり、小さなエネルギーで核遷移を起こせる
- 2024年4月の欧州研究チーム、7月のUCLAグループに続いてJILAの結果が出され、今回の測定は先行観測より数百万倍高精度である
- 核時計遷移は基本定数の変化に対して原子状態よりはるかに敏感だが、起こりうる変化は10兆分の1レベルかもしれず、さらなる精度向上が必要である
- thorium-229核時計は、暗黒物質axionや弦理論のようなモデルが予測する物理法則の時間変化を実験で検証する新たな道具になりうる
JILAによるthorium-229核時計遷移の測定
- 2024年5月の夜、JILAの大学院生Chuankun Zhangが、thorium-229原子核が2つの状態の間を切り替える核時計遷移の信号を確認した
- 研究チームは複数の確認手順を経て、この信号が実際のthorium-229核遷移だと判断した
- Jun Ye研究グループの測定結果は、2024年9月4日に Nature に報告された
- 直近4カ月の間に発表されたthorium-229遷移観測としては3番目の結果で、ドイツとカリフォルニアの研究チームの結果に続くものだった
- 今回の測定は先行する結果より数百万倍高精度で、核時計遷移を誘起する正確なレーザー周波数を探す長い過程を終わらせる性格を持つ
thorium-229が特別な理由
- 一般的な原子時計は、電子が光子を吸収して励起状態になり、その後ふたたび基底状態へ戻る過程を利用する
- セシウム原子の遷移に対応する波長が、現在の1秒の国際標準を定義している
- 1秒は、その波長9,192,631,770個が空間の1点を通過する時間として定義される
- 原子核にも基底状態と励起状態があるが、陽子と中性子は電子よりはるかに強く束縛されているため、通常はガンマ線のようなはるかに高エネルギーの光子が必要になる
- thorium-229原子核は例外的に、核遷移に必要なエネルギーが非常に低い
- 原子核内の陽子同士の電磁気力は核を引き裂こうとし、強い核力は核を束縛する
- thorium-229の最外殻中性子のスピン変化では、この2つの力の変化がほぼ正確に相殺されるため、励起状態と基底状態のエネルギー差がきわめて小さい
- 通常の核励起より約10,000倍少ないエネルギーで遷移が可能である
冷戦の副産物から生まれた実験材料
- thorium-229は、冷戦期の核兵器研究の副産物であるuranium-233の崩壊から得られる
- 米国は1950年代から1970年代にかけて約2トンのuranium-233を生産しており、uranium-235やplutonium-239の代替となる兵器級核分裂物質として検討されていた
- 1976年、Idaho National LaboratoryのLarry KrogerとCharles Reichは、uranium-233廃液から出る放射線を研究している際、thorium-229に予想よりはるかに低エネルギーの核励起状態があることを示す間接的証拠を見つけた
- 1990年、Reichと同僚はより高精度の再測定によって、この励起状態のエネルギーが当初考えられていたより10倍以上小さいことを確認した
- 核遷移には通常数百万電子ボルトが必要だが、thorium-229遷移は10電子ボルト未満である
- このエネルギー範囲は、既存のレーザーが安定かつ高精度に扱える範囲である
- Eric Hudsonは、すべての原子核図表の中でこのような例はthorium-229だけだと述べている
核時計のアイデアと基本定数の検証
- 2003年、Ekkehard PeikとChristian Tammは、thorium-229を用いた核時計を提案した
- 原子核は電子雲に囲まれて外界から遮蔽されているため、thorium-229ベースの時計は、当時の最高性能原子時計を悩ませていた背景干渉の影響を受けにくい可能性がある
- Victor Flambaumは、このように高感度で孤立した時計が、自然そのものの定数性を試すために使えることを示した
- 物理学の方程式には、光速や重力定数のような約26個の基本定数が含まれている
- 弦理論のような理論は、これらの数値が時間とともにごくわずかに変化しうると予測する
- 暗黒物質の有力モデルのひとつでは、暗黒物質がaxionという波動的な粒子でできているなら、場所ごとのaxion密度の変動が一部の力の強さを上下させうると考える
- 力の強さの変化は、原子核状態のエネルギーを変えうる
- 原子核状態のエネルギーは、陽子と中性子に作用する大きな電磁気力と強い核力を足し引きする過程で決まる
- thorium-229遷移ではエネルギー差が非常に小さいため、力の小さな変化がとりわけ大きく現れる可能性がある
レーザー周波数探索競争
- 初期には、核時計遷移に必要なエネルギーの推定値は、研究チームが探索していたレーザー波長に比べて1,000倍精度が低かった
- 研究チームは何千ものレーザー波長を1つずつ除外しなければならず、数個のthorium-229原子を閉じ込めてレーザーを照射し、光子を待つという方法では、どうしても非常に長い時間がかかった
- Eric Hudsonのアプローチに従い、複数のグループがthoriumを内部に含む固体結晶化合物を作り始めた
- 結晶は数個の原子ではなく、数千兆個の原子を収容できる
- 多数の波長をレーザーで素早く除外できる
- CERNチームは2023年、放射性崩壊によって励起したthorium-229を生成し、より静かな環境で核時計遷移のかすかな紫外線を直接測定する突破口を開いた
- CERNの結果で探索範囲は大きく絞り込まれ、2024年4月には欧州チームがレーザーでその状態を調べたとする結果を初めて報告した
- UCLAのHudsonグループも、2024年7月に Physical Review Letters で発見結果を発表した
- JILAのJun Yeグループは、Thorsten Schummが作った結晶の1つを入手し、thorium-229を核時計にするための特別な紫外線レーザーを開発してきた
- このレーザーは、複数の波長を一度に試して遷移を探すために使われる
- JILAの結果は、3つの並行した発見を最も高精度のエネルギー測定で締めくくるものとなった
より高い精度が必要な理由
- thoriumの核状態のエネルギーは、基本定数の変化に対して、どの原子状態よりもはるかに敏感である
- 現在Yeグループは、核時計遷移を1兆分の1の精度で測定できる
- 既存の原子時計がすでに排除している水準よりもさらに微細な変化を見るには、より高い精度が必要である
- 起こりうる変化は10兆分の1レベルかもしれず、Yeはそれを「何年も先」のことと見ている
- 古い冷戦の副産物から生まれたthorium-229は、宇宙を支える未発見のより深い物理の証拠を探すための道具になるかもしれない
1件のコメント
Hacker News のコメント
これで核時計を作り、Allan ドリフトが十分低くなって実用的な水準になったとしても、意味のある差を測定して何かを見いだせるだけのデータを集めるには、何年も観測する必要がありそう
その間、物体を 1cm 上下に動かすだけの効果、月の位置、そのほかあらゆるノイズ源を相殺しなければならない
最終的にはやり遂げると疑っていないし、あとで全過程を聞けたら驚嘆することになりそう
待っている間に見るものとして、チップスケール原子時計がどう動くのかを最も明快に説明している YouTube の会議録を見つけた: https://www.youtube.com/watch?v=wHYvS7MtBok
いつかチップスケール光格子時計にも期待している
しかも干渉計ハードウェアより展開コストはずっと低く見えるので、世界中に十分多くの複製装置を置いて、局所的なノイズ源を相殺することもできそう
「多くの原子核に似たスピン遷移があるが、トリウム229でだけこの相殺がほぼ完全だ」という部分と、「物理定数は実際には定数ではないかもしれない」という部分を合わせて見ると興味深い
もし物理定数が時間とともに変わるなら、トリウム229が特別なのではなく、今この時点で電気的反発力と強い核力が偶然つり合っている同位体なのかもしれない
10億年後には別の元素がその役割を担うかもしれないし、既存元素のある同位体がぴったり合う時代に私たちが生きているのは幸運なのかもしれない
2つの力が正確につり合う最適な時点や場所が、すでにあったかもしれないし、これから来るかもしれず、そのときは定数の変化を精密測定するのに理想的かもしれない。日食が重力による光の曲がりを検証する好機だったように
それでも微細構造定数のように、ほかの値から導くのが難しい、あるいは不可能に見える数がある。一般向け科学で触れた説明は人間原理で、そういう値でなければ誰かがその問いを発することもできない、というもの
実際の科学者がどう見ているのかはよくわからない
通常の力を生む電磁相互作用も光速に結びついていて、ほかのすべても同様
ほかの定数は変わり得るかもしれないが、局所的に観測される光速が変わり得るなら、それは非常に驚くべきこと
光速や重力定数のような数値が宇宙の動作の仕方を決めているが、実際には定数ではないかもしれないという話なら、物理学者ではない立場では、重力は変化し得る力のように感じてきた
そうなら、消えた暗黒物質の問題や、数百万年前の地球で多くの生物がより大きかった理由への代替説明にもなり得るのではないかと思う。もちろん物理の背景が足りないので、2つの現象を一緒に説明しようとして矛盾しているかもしれない
記事では定数は26個と言っているが、https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_physical_constantsを見るともっと多いように見える
そして微細構造定数のような比である定数は、実際に変化があっても比がそのままなら検出できないように思える。πも比なのでそのまま残るのと似ている
さらに、特定の26個が固定されているわけでもない。c の代わりに 1/c を定数としても同じように有効で、どんな方程式でも c の代わりに 1/c を使うように直せる
比については、その比が本当に一定なのかがまさに検証しようとしている対象
定数を測定するには定数である何かが必要なのに、それと比較する定数がなければ何が定数なのかわからない、という点がいつも論理的な誤りのように感じる
結局、私たちは何かが一定だと仮定できるだけで、実際には一定に見えるものなのではないかと思う
物理学者 Julian Barbour の時間に関する研究を読んでみると、かなり驚く洞察が得られる。「時間は変化から生まれる」という見方: https://www.youtube.com/watch?v=GoTeGW2csPk
温度を変えれば両方とも大きさが変わるが、複数の温度で両者を測定すれば、2つの熱膨張係数の比を求められる
面白いことに、水銀温度計を使っているなら、実質的にすべてを水銀の熱膨張係数に対して相対的に測っていることになる
基本定数が常に真でないなら、別の銀河の物質は私たちの銀河の物質とは異なる振る舞いをするはず。この話でときどき議論になるが、他の人たちは波長が同じなのだから残りもすべて同じでなければならないと言い続ける
記憶では研究されたことがあるが、今すぐ参考文献は見つけられない
だとすれば、本当に暗黒物質と暗黒エネルギーが存在するのか、それとも宇宙の法則に対する私たちの理解が不完全なのか？
過去に基本定数が異なっていたなら、私たちが測定する距離だけが変わる形で現れる可能性もある
基本定数が変わり得るなら、エネルギー保存と熱力学第二法則に違反するのではないかと思う
誰かが「あなたの理論が熱力学第二法則に違反するなら望みはない」と言っていた気がするが、私が見落としていることがあるのだろうか？
物理運動学、たとえば Landau 第10巻レベルまで学ぶ人は多くないからだ
閉じた系のエネルギーが変わっても、全体のエントロピーが減るほどではない状況を想像するのは難しくない。たとえば閉じた系のエネルギーが減少する場合がそうかもしれない
あるものは非常に一定に見えるかもしれないが、あまりにも途方もなく小さい、または大きい時間スケールで測定しなければならず、実質的にはほとんど測定不能かもしれない
重力定数 G が実際に定数かどうかは、今なおある程度未解決の問題だ
さらに原子時を使うか力学時を使うかによって結果が変わる。力学時を使うと、月レーザー反射器では変化は測定されない
もしかすると馬鹿げた質問かもしれないが、最も精密な時計の正確度はどう判断するのか？比較できる、より正確なものはないのでは？
おそらく言おうとしていたのは一電子宇宙仮説のことだと思う。反電子の Feynman 図が時間を逆向きに進む電子のように見えるので、面白いアイデアだ
だから、たった1つの電子が時間の中を前後に跳ね回り、絡み合った世界線を作り、ときにはそれを反電子として観測すると想像できる
光子には反光子がないので、この方式は成り立たない
いずれにせよ、Feynman がよく生み出していた「おお！」という瞬間を与えてくれる面白い考えだが、真面目な理論として受け入れられているようには思えない
実験的にも最良の理論上も、それらの粒子は時間変数にマイナス符号が付くことを除けば、文字どおり同一だと言える
そして光子にも適用される。反光子は存在し、それはまさに光子自身だ。光子は時間反転に対して対称な粒子である
Feynman は、陽電子より電子のほうが多いという点を挙げて、すぐにそのアイデアに反論した