[論文レビュー] Exploring the possibility of detecting dark energy in a terrestrial experiment using atom interferometry

M. L. Perl, Holger Mueller|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2010

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ダークエネルギー密度の空間勾配に起因する仮説的な力の測定を目的として、地上実験によるダークエネルギーの直接検出を提案する。重力の影響を10^{-17}gまでキャンセルする二重干渉計の構成を採用することで、均一でないダークエネルギーからの信号を分離し、重力や電磁気力に加えて弱く長距離作用する場の新たなプローブを提供する。

ABSTRACT

The majority of astronomers and physicists accept the reality of dark energy but also believe it can only be studied indirectly through observation of the motions of galaxies. This paper opens the experimental question of whether it is possible to directly detect dark energy on earth using atom interferometry through a force hypothetically caused by a gradient in the dark energy density. Our proposed experimental design is outlined. The possibility of detecting other weak fields is briefly discussed.

研究の動機と目的

• 原子干渉計を用いた実験的環境でのダークエネルギーの直接検出の可能性を検討すること。
• 等価原理のため、標準的な重力測定では検出できない弱く均一なダークエネルギー密度の検出という課題に対処すること。
• 重力信号を極めて高い精度でキャンセルできる実験を設計し、仮説的なダークエネルギー力の検出を可能にすること。
• ダークエネルギーが重力以外の力として作用する可能性、特に地上スケールでの空間非一様性がある場合に焦点を当てる。
• 高精度な量子測定を用いて未知の弱い場を探索する一般化されたフレームワークを確立すること。

提案手法

• 同一の二つの原子干渉計を配置し、微分測定によって一様な重力加速度（g）の影響をキャンセルする。
• 原子波動関数の位相シフトが、各干渉計内の二つの空間的経路に沿ったポテンシャル差の積分に依存することを活用する。
• 二重干渉計構成を採用し、信号差 U = T₁ - T₂ により主要な g 補正をキャンセルし、重力を10^{-17}gまで抑制する。
• 先行実験で実証済みのフォンテーヌ・インターオンメータ構成を用い、重力に対する感度を10^{-10}g未満まで向上させ、さらに重力を10^{-17}gまで抑制する。
• 1メートルスケールの基準でダークエネルギー密度の空間勾配に起因する残留位相差を測定することで、仮説的なダークエネルギー力の検出を試みる。
• 任意のダークエネルギー力が、ダークエネルギーポテンシャルの勾配に比例するように、微分信号 U のずれとして現れるものと仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークエネルギー密度の空間勾配が、地上実験において物質に測定可能な力として作用する可能性はあるか？
• RQ2 支配的である重力信号を、仮説的なダークエネルギー力が検出可能なレベルまで抑制することは可能か？
• RQ3 現在の実験的精度を考慮すると、ダークエネルギー力と既知の力とを区別するためにはどの程度の感度が必要か？
• RQ4 等価原理がダークエネルギーの検出をどのように制限し、微分干渉計によってそれを回避できるか？
• RQ5 この実験的手法は、他の未知の弱い場を探索する一般化されたプローブとして機能できるか？

主な発見

• 重力加速度（g）のキャンセリング精度を10^{-17}gまで達成することで、極めて弱い追加の力の検出が可能となる。
• 仮説的なダークエネルギー力は、原子干渉計実験における現在のノン結果と整合するためには10^{-8} m/s²未満である必要がある。
• ダークエネルギーのエネルギー密度（6.3×10^{-10} J/m³）は、1 V/m などの弱い電場と同等のオーダーであり、これらは通常の実験室で容易に測定可能であるため、直接検出が現実的である可能性を示唆する。
• 二重干渉計構成により、一様な重力場のキャンセリングが可能となり、空間的に変化するダークエネルギー密度に起因する非一様な場からの信号が分離される。
• この手法は一般化可能であり、ダークエネルギーに限らず、干渉計の各腕に差分位相シフトを引き起こす他の未知の弱い力の検出も可能である。
• 仮説的なダークエネルギー力の存在は、10^{-8} m/s²のレベルで確認されていないため、モデルの仮定のもとでその強さに対する上限が設定された。