[논문 리뷰] Can quantum gravity be exposed in the laboratory?: A tabletop experiment to reveal the quantum foam

Jacob D. Bekenstein|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 18.

Noncommutative and Quantum Gravity Theories참고 문헌 16인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 초저온, 매크로스코픽이고 투명한 블록을 단일 광자와 결합시켜 플랑크 스케일의 시공간 변동을 통해 양자 중력 효과를 탐구하기 위한 테이블탑 실험을 제안한다. 광자의 운동량 전달로 인해 블록의 질량중심이 약 1 플랑크 길이만큼 이동함에 따라 광자 통과 확률의 변화를 측정함으로써 양자 우주모래(quantum foam)를 탐지하고, 브레인 월드(scenario)와 표준 시공간 시나리오를 구별하고자 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 저온 및 진공 기술을 활용하여 양자 중력 효과, 특히 휠러의 양자 우주모래를 실험적으로 검증할 수 있는 실현 가능한 실험적 테스트를 제공하는 것.
• 이론적 발전이 수십 년에 걸쳐 이루어졌음에도 불구하고, 여전히 실험적 증거가 부족한 문제를 해결하는 것.
• 양자 중력 효과가 중요한 영향을 미치기 시작하는 척도를 탐구함으로써 브레인 월드 시나리오와 표준 4차원 시공간을 구별하는 것.
• 고에너지 입자 가속기나 천체물리학적 관측이 필요 없이 플랑크 스케일 효과에 민감한 테이블탑 실험을 설계하는 것.
• 초저온(≤0.5 K) 및 초고진공 조건에서 열광자와 잔류 기체의 영향을 최소화하여 노이즈 문제를 해결하는 것.

제안 방법

• 복사압을 통해 단일 광자의 운동량을 매크로스코픽 투명 블록의 질량중심 운동에 결합하는 것.
• 광자가 유도하는 블록의 이동량이 약 1 플랑크 길이(~1.6×10⁻³⁵ m)가 되도록 블록의 질량과 광학적 성질을 설계하는 것.
• 광학 간섭계와 단일 광자 탐지기를 사용하여 블록를 통과하는 광자의 통과 확률을 측정하는 것.
• 광자를 저장하기 위한 지연선(delay line)을 적용하여 방출 및 탐지 사건의 시간 순서를 명확히 하여 배경 노이즈와의 혼동을 최소화하는 것.
• 열광자 노이즈와 잔류 기체 충돌을 억제하기 위해 온도를 ≤0.5 K로 유지하여 노이즈를 무시할 수준으로 낮추는 것.
• 환경 광자로부터 시스템을 보호하고 초고진공(≤10⁻¹¹ Pa)을 유지하기 위해 캐비티를 사용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 저온 및 진공 기술을 활용하여 실험실 조건에서 양자 중력 효과, 특히 양자 우주모래를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 단일 광자의 운동량으로 인해 매크로스코픽 블록이 약 플랑크 길이만큼 이동할 때, 이로 인한 고전적 시공간과의 이격이 양자 우주모래의 영향을 드러내는가?
• RQ3 광자가 통과하는 확률에 미치는 블록 운동의 반작용이 브레인 월드 시나리오와 표준 4차원 시공간을 구별할 수 있는가?
• RQ4 이 실험에서 지배적인 노이즈 원인은 무엇이며, 이 노이즈는 양자 우주모래 효과가 탐지 가능해지도록 억제될 수 있는가?
• RQ5 소규모 로렌츠 변환 하에서 양자 우주모래의 안정성이 예상됨을 감안할 때, 이 실험은 로렌츠 불변 또는 로렌츠 위반 양자 중력 모델에 민감한가?

주요 결과

• 실험은 단일 광자가 매크로스코픽 블록에 운동량을 전달함으로써 질량중심이 약 1 플랑크 길이만큼 이동하도록 설계되어 있다.
• 0.5 K에서 열광자 노이즈가 7개 항목 감소하여 광자가 블록를 통과하는 동안 단일 열산란의 확률은 10⁻⁵로 줄어든다.
• 4 K와 10⁻¹¹ Pa 조건에서 잔류 기체 충돌 확률은 1%로 억제되어 노이즈가 추가로 감소한다.
• 우주선, 암흑 물질, 태양 중성자는 블록과의 상호작용 확률이 매우 낮아 노이즈 원인으로 간주되지 않는다.
• 실험의 양자 우주모래에 대한 민감도는 블록의 운동이 광자의 통과 확률에 미치는 반작용에서 기인하며, 이는 실제 양자 시공간 변동의 척도를 드러낼 수 있다.
• 에너지 척도에서 양자 중력 효과가 중요한 영향을 미치기 시작하는 지점에서 측정함으로써, 브레인 월드 모델과 같은 경쟁적 양자 중력 시나리오를 검증할 수 있는 잠재적 방법을 제공한다.