次世代重力波検出器がダークマターを突き止める可能性

masapoco
投稿日 2023年7月3日 9:55
CE composite v3

重力天文学は比較的新しい学問分野であり、巨大で暴力的なスケールの果てがどのように機能するかを理解するために、天文学者に多くの扉を開いてきた。重力天文学は、ブラックホールの合体や、宇宙全体における他の極端な事象を解明するために使われてきた。現在、カリフォルニア工科大学ウォルター・バーク理論物理学研究所の研究チームは、この新しい技術の新しい使い道を考えている。

ダークマター(暗黒物質)とは、宇宙の質量の大部分を占めるが、通常の電磁波では見えない物質のことである。しかし、もしダークマターが実際に存在するのであれば、この粒子はもう一つの基本的な力である重力と相互作用する。

そのため、重力波(GW)観測所の研究対象となる可能性がある。しかし、その研究にはいくつかの前提がある。まず、ダークマターは「マクロ」な現象であり、量子力学の世界には属さない。重力波は、著者らが「超重量ダークマター」と呼ぶものにのみ作用する可能性が高い。

重力波を検出するために設計された干渉計は、このカテゴリーに入るほど重い粒子の影響を受けた信号を拾う可能性がある。特に、これらの粒子は重力波の3つの異なる性質に影響を与えるだろう、

1つ目はドップラー効果で、これは高校物理の生徒なら誰でも習うことで、救急車がこちらに向かってくるときと、遠ざかるときとで音が違うという例で一般的に知られている。同じ現象が重力波でも起こる。重力波は、その発生源がGW観測所に対してどのように動いているかによって、時空間に同じような影響を与えるからだ。

ダークマターが重力波に与える影響について、著者らはシャピロ遅延とアインシュタイン遅延に注目している。シャピロ遅延とは、信号が干渉計の一方の端からもう一方の端まで移動するのにかかる時間の変化である。これは、干渉計のアームのどこかに時空の圧縮があるかどうかによって変えることができる。一方、アインシュタインの遅延は、干渉計が重力波を測定するために使用するクロックの実際の遅延である。しかし、この効果は特定の干渉計の構成では相殺される。

この論文から著者らが導き出したのは、カリフォルニア工科大学の時空間量子もつれ実験(GQuEST)のような、間もなくオンラインになると予想される最新のGW観測装置は、”超重量”とみなされるのに十分な大きさであれば、通過するダークマターを検出できるはずだということだ。しかし、この論文には興味をそそる別のニュアンスがあり、根底にある物理学のより深い理解の可能性を指し示している、

世界中の物理学を学ぶ学生は、基本的な力、すなわち重力、電磁気力、強い核力、弱い核力について教えられている。しかし、5番目の力が存在するかもしれない。湯川相互作用として知られるこの力は、ダークマターと、古典物理学を学ぶ学生には馴染み深い、より伝統的なタイプの粒子(理論物理学ではバリオンと呼ばれる)との間で働く、理論上の第5の基本的な力である。これまでのところ、この力の存在に関する決定的な証拠はないが、それを制約する実験がいくつか始まっている。もしこの力が存在するのであれば、同じGW検出器が、その力をさらに制約するのに役立つ役割を果たすことができる、とこの論文は述べている。

新しい基本的な力を発見し、理論物理学を何十年も悩ませてきた謎を解くことは、比較的新しい科学には荷が重い。しかし、それこそが科学そのものが前進する方法であり、新しい技術を利用してさらなる測定を行い、新しい理論を証明したり反証したりするのである。長い年月を経て、今こそ重力天文学が輝くときなのだ。


この記事は、ANDY TOMASWICK氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。



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