ブルックヘブン国立研究所の科学者たちが、今までに観測されたことのない全く新しい種類の量子もつれを発見したとのことだ。

今回の発見は、ニューヨークのブルックヘブン研究所にある相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）で行われた。この施設は、イオンとして知られる荷電原子をほぼ光速まで加速できる特殊な施設である。このイオンが衝突したり、あるいは近くを通ったりすると、その相互作用によって、量子力学の奇妙な法則に支配された原子の内部構造が明らかになるのだ。

この小さな領域では、あらゆる種類の奇妙なことが起こるが、特に量子もつれは、まさにSFの領域に属するとも思えるほど奇妙な現象だ。この現象は、粒子同士が絡み合うと、たとえ何十億光年離れていても、その特性（スピンや運動量など）がまるでテレパシーのように瞬時に同期してしまうというものだ。量子もつれは実験室で何度も証明されているが、これまでに確認された量子もつれは、電荷を持たない光子や負電荷を持つ電子など、常に同じグループに属し、同じ電荷を持っているものに対してのみだった。

今回、ブルックヘブン大学の科学者たちは、電荷の異なる2つの粒子のもつれによって生じる干渉パターンを初めてとらえたのだ。この画期的な成果は、宇宙で目に見える物質を構成する原子の不思議な内部について、全く新しい窓を開くものである。

「区別できる粒子間の干渉の測定は、過去に一度もありませんでした。それが発見です。アプリケーションは、我々がそれを使って核物理学を行うようになることです。ある意味、量子力学について、それほど基本的なことを見つけようともしていませんでした。ここで本当に面白いことが起こっているとわかったとき、それは私にとって本当に大きな驚きでした。」と、この研究の共著者であるオハイオ州立大学の物理学教授Daniel Brandenburg氏は、Viceの電話取材に対して述べている。

Brandenburg氏と彼の同僚達は、RHICのソレノイドトラッカー(STAR)と呼ばれる高感度検出器の助けを借りて、光速寸前まで加速された金イオン間の相互作用を捉えて、このマイルストーンを達成した。イオンの周囲には光を運ぶ粒子である光子の雲があり、原子核を結合しているグルーオンと呼ばれる別の粒子と相互作用している。

この光子とグルーオンとの出会いが連鎖的に起こり、最終的に正負の電荷を持つパイ中間子と呼ばれる2つの粒子が誕生したのだ。このパイ中間子がSTAR検出器に衝突したときの速度や衝突角度などの性質を測定し、原子核内のグルーオンの大きさや形、配置をこれまでにない高い精度で調べることができたという。

Brandenburg教授は、「光子を用いて何かを見るという意味では、顕微鏡と同じです。この場合、我々は、本当に、本当に高エネルギーの光子を使用していて、その波長は、実際に原子の内部を見ることができるほど短いのです。」と説明する。

科学者たちは、以前にも、より低いエネルギーで原子核を撮像したことがあるが、高エネルギーでこれらの構造を探る試みは、いつも不可解な結果を生み出してきた。このような実験では、原子核はモデルによれば本来あるべき大きさよりもはるかに大きく見えるのだが、この結果は何十年にもわたって科学者たちを困惑させてきた。

今回、STARの共同研究チームは、この謎を解き明かし、実験の光子に関連するぼやけ現象を突き止めた。これまでの研究では、原子核を一次元的に捉えていたため、光子の偏光方向などの重要なパターンが考慮されていなかった。今回の研究では、この偏光情報を利用して、光子の運動に対して平行と垂直の2方向から原子核を観察し、理論予測に一致する2次元的な画像を得ることができたのだ。

さらに、陽子や中性子といった原子核内の主要な粒子の大まかな位置や、グルーオンの分布まで確認することができた。高エネルギーでの原子の振る舞いについて、根強い謎を解き明かす新しい方法を提供するものである。

「原子核の内部をより深く覗き込むと、原子核のエネルギーがどんどん小さくなっていきますが、それらは、原子核がどのように結合しているかを知る上で非常に重要です。ですから、より高いエネルギーに行くほど、それがどのようなものなのかが分からなくなるのです。だからこそ、より高い精度でより多くの測定をすることで、このエネルギー依存性と原子核の中心がこれらの異なるスケールで何をしているのかについて本当に声明を出す態勢が整うでしょう。」と、Brandenburg氏は述べている。

Brandenburg教授は、この技術を、RHICや大型ハドロン衝突型加速器などの他の施設でも繰り返し行い、原子核内部の長い間隠されていた詳細を明らかにしたいと考えている。

高エネルギーで原子を見つめることは、科学者が科学で最も困難な問題のいくつかを解決するのに役立つだろう。例えば、量子の世界が、より身近な古典物理学のルールに支配された我々の現実とどのように共存できるのかという壮大な謎を解くことができる。また、量子コンピューティングという、量子世界の奇妙な法則を利用して計算を革新する技術への実用的な応用も期待されている。

論文

• Science Advances: Tomography of ultrarelativistic nuclei with polarized photon-gluon collisions

参考文献

• Brookhaven National Laboratory: New Type of Entanglement Lets Scientists ‘See’ Inside Nuclei
• via Vice: Government Scientists Discover Entirely New Kind of Quantum Entanglement in Breakthrough

研究の要旨

直線偏光した光子は、超相対速度で飛行する原子核のローレンツブーストされた電磁場から量子化することができます。相対論的な重い原子核同士が数核半径の距離ですれ違うとき、一方の原子核からの光子は仮想的なクォーク・アンチクォーク対を介して他方の原子核からのグルーオンと相互作用し、短寿命のベクトル中間子（例えばρ⁰）を形成する可能性がある。この実験では、偏光を利用した回折型光生成により、ρ⁰ → π⁺π⁻  崩壊の角度分布にユニークなスピン干渉パターンが観測された。観測された干渉は、ρ⁰の寿命内の移動距離より一桁大きい距離で2つの波動関数が重なった結果である。これらの回折的相互作用から強相互作用核半径を抽出し、核電荷半径よりも大きい6.53 ± 0.06 fm (¹⁹⁷Au) and 7.29 ± 0.08 fm (²³⁸U)であることを見いだした。この観測値は、核形状や非同一粒子の量子干渉に敏感であることが実証された。