[論文レビュー] Can quantum gravity be exposed in the laboratory?: A tabletop experiment to reveal the quantum foam

Jacob D. Bekenstein|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2013

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 16被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、プランクスケールの時空ゆらぎを介して量子重力効果を調べるため、超低温で巨視的で透明なブロックを単一の光子と結合させた卓上実験を提案する。光子の運動量移動によってブロックの重心運動が約1プランク長にずれるため、その変位を測定することで、量子泡沫の検出とブレーン・ワールドと標準的時空の両シナリオの区別が可能となる。

ABSTRACT

I propose an experiment that may be performed, with present low temperature and cryogenic technology, to reveal Wheeler's quantum foam. It involves coupling an optical photon's momentum to the center of mass motion of a macroscopic transparent block with parameters such that the latter is displaced in space by approximately a Planck length. I argue that such displacement is sensitive to quantum foam and will react back on the photon's probability of transiting the block. This might allow determination of the precise scale at which quantum fluctuations of space-time become large, and so differentiate between the brane-world and the traditional scenarios of spacetime.

研究の動機と目的

• 既存の低温および冷却技術を用いて、量子重力効果、特にホイーラーの量子泡沫に対する実験的検証が可能な実験的テストを提供すること。
• 理論的発展が数十年にわたり続けているにもかかわらず、長きにわたり実験的証拠が得られていない量子重力の問題を解決すること。
• 時空の量子ゆらぎが顕著になるスケールを調べることで、ブレーン・ワールドと標準的4次元時空の両シナリオを区別すること。
• 高エネルギー加速器や天体観測を必要とせず、プランクスケールの効果に感度を持つ卓上実験を設計すること。
• 超低温（≤0.5 K）と超高真空を用いることで、熱的光子と残留ガスとの衝突によるノイズを抑えること。

提案手法

• 放射圧を介して、単一の光子の運動量を巨視的で透明なブロックの重心運動に結合する。
• 光子が引き起こすブロックの変位が約1プランク長（~1.6×10⁻³⁵ m）に近づくように、ブロックの質量と光学的性質を設計する。
• 光干渉計と単一光子検出器を用いて、光子がブロックを通過する確率を測定する。
• 光子の保存と時間順序の検出を可能にする遅延ラインを適用し、背景ノイズのクリックと混同を最小限に抑える。
• 0.5 K以下の超低温で実験を実施し、熱的光子ノイズと残留ガスとの衝突を抑制し、ノイズを無視できる程度にまで低減する。
• 環境からの光学的光子を遮断し、超高真空（≤10⁻¹¹ Pa）を維持するためのキャビティを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の低温および冷却技術を用いて、実験室環境で量子重力効果、特に量子泡沫を調べることは可能か？
• RQ2 単一の光子の運動量によって巨視的ブロックが約プランク長にずれる場合、その変位が量子泡沫による古典的時空からのずれを示すか？
• RQ3 光子の透過確率に及ぼされるブロックの運動の反作用が、ブレーン・ワールドシナリオと標準的4次元時空を区別できるか？
• RQ4 この実験における主要なノイズ源は何か？ それらは、量子泡沫効果が検出可能になるレベルまで抑えることができるか？
• RQ5 小さなローレンツ変換に対して量子泡沫が安定であると予想される場合、この実験はローレンツ不変またはローレンツ破れの量子重力モデルに感度を示すか？

主な発見

• 実験は、単一の光子が巨視的ブロックに運動量を移動させ、重心が約1プランク長にずれるように設計されている。
• 0.5 Kで熱的光子ノイズが7桁低減され、光子の通過中に1回の熱的散乱が発生する確率は10⁻⁵にまで低下する。
• 4 Kおよび10⁻¹¹ Paの条件下で、残留ガスとの衝突確率は1%にまで低減され、ノイズがさらに減少する。
• 宇宙線、ニュートリノ、およびダークマターは、ブロックとの相互作用確率が極めて低いことから、無視できるノイズ源であることが判明した。
• この実験の量子泡沫に対する感度は、ブロックの運動が光子の透過確率に及ぼす反作用に起因し、真の量子時空ゆらぎのスケールを明らかにできる可能性がある。
• エネルギースケールが量子重力効果が顕著になる点を測定することで、ブレーン・ワールドモデルなどの競合する量子重力シナリオをテストする可能性を提供する。