[論文レビュー] Evidence for gravitons from decoherence by bremsstrahlung

Christian Riedel|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2013

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、直接的なエネルギーまたは運動量の移動ではなく、相対論的プランク質量の重ね合わせ状態における重力的ブレムストラールング（減速放射）によって引き起こされる量子デコherenceを通じて重力子を検出することを提案している。単一の重力子の放出ですら測定可能なデコherenceを引き起こすことが示され、巨視的検出器を必要とせずに重力子の存在を間接的に示す証拠を提供する。

ABSTRACT

It is thought that gravitons are impossible to detect, even with the technological ability to construct experiments larger than Jupiter. However, in principle it is possible to detect the emission of single gravitons through the decoherence of relativistic Planck-mass superpositions by gravitational bremsstrahlung. Although enormous experimental challenges ensure that such an experiment will not be achievable in the foreseeable future, this possibility suggests that gravitons are not forever outside our empirical grasp. It is also evidence that decoherence as a detection method has untapped potential.

研究の動機と目的

• 重力子が非常に弱い結合を持つため根本的になおかつ検出不能であるという一般的な信念に挑戦すること。
• 非常に弱く相互作用する粒子（重力子など）に対して、量子デコherenceが実用的な検出メカニズムとして有効であることを示すこと。
• 相対論的重ね合わせ状態における重力的ブレムストラールングが観測可能なデコherence効果を生じうることを示すこと。
• 軟らかく低エネルギーの現象に対して、従来の方法よりも感度の高いデコherenceに基づく検出法が有効であることを主張すること。
• 重力子の放出が干渉パターンの抑制から推定可能である理論的枠組みを確立すること、すなわち重力子を直接検出しない状況でも可能であること。

提案手法

• 距離 $L$ 離れた二つの波パケットに分かれた相対論的プランク質量の物体を空間的重ね合わせ状態に準備する。
• 半古典的近似を用い、$\lambda \gg \lambda_C$ および $\sigma_p/m \ll v$ の条件下で、二つの経路を古典的放射源として扱う。
• 放出された重力子による条件付き放射場状態の重なりから、デコherence因子 $\Gamma = \langle R_1 | R_2 \rangle$ を計算する。
• 重力子の波長 $\lambda \lesssim L$ のとき、各経路の放射場が区別可能となり、デコherenceが生じることを示す。
• 重力的ブレムストラールングにこの形式を適用し、質量が常に正であるため、電磁的ブレムストラールングと異なり、重力放射は不可避的（不可削減的）であることに注意する。
• 干渉パターンの可視度の低下が、重力子の放出の兆候であることを示し、重力子自体を直接検出しなくてもよい。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接的なエネルギーまたは運動量の移動ではなく、量子デコherenceを通じて重力子を間接的に検出できるか？
• RQ2 相対論的プランク質量の重ね合わせ状態からの重力的ブレムストラールングが、測定可能なデコherenceを生じるか？
• RQ3 重力子を直接検出しない状況でも、干渉パターンの抑制の観測が個々の重力子放出の証拠となるか？
• RQ4 このデコherenceに基づく手法は、従来の重力子検出法と比較して感度がどう異なるか？
• RQ5 重力的ブレムストラールングに起因するデコherenceを隠蔽または模倣する不可避的バックグラウンドは何か？

主な発見

• 相対論的プランク質量の重ね合わせ状態における重力的ブレムストラールングは、単一の重力子の放出によって測定可能なデコherenceを引き起こす。
• 放出された重力子の波長 $\lambda \lesssim L$ のとき、デコherence因子 $\Gamma$ は著しく1未満となり、経路の区別可能性が生じることを示す。
• 重力子のエネルギーが極めて微小であっても、全質量からのコherentな放射が単一の源として振る舞うため、干渉パターンの抑制によって検出可能である。
• この実験では重力子を直接検出する必要がなく、干渉可視度の低下から重力子の存在を推定する。
• 非相対論的極限では、多数の事象を集積することで $\hbar$ を測定可能であり、これは古典的重力には存在しない量子重力効果を確認するものである。
• この手法は従来の検出法よりも感度が高く、古典的エネルギー移動ではなく量子コherenveを活用しているため、軟らかく低エネルギーの現象に適している。