Tabletop実験

「光」の技術で「真空」の本質に迫る

小規模ながらも、ユニークなアイデアと多彩な実験手法を駆使して未知の現象に迫る。それがTabletop実験です。

この実験では、大型加速器の代わりに「光」の技術を駆使します。電波から可視光、γ線に至るまで、幅広い波長から最適な「光」を選択し、波長の差は、短いものと長いものとで1012倍にも及びます。近年の量子光学技術の急速な進展により、これらの光の精度・強度・波長を自由自在に操れるようになってきました。多様な光技術を組み合わせ、「真空」の本質を探求しています。

「真空」というと、何も無いただの空間を連想するかもしれませんが、現代物理学では、仮想粒子が常に生成と消滅を繰り返す複雑な構造をしていると考えられています。そのような真空に強力な磁場をかけると、真空中の仮想粒子が磁場を感じて異方性を持ち、真空が歪みます。この真空の歪みを、光技術で観測するのが実験の狙いです。

強磁場による真空の歪みを探索する装置。強磁場中を通過しわずかに偏光が変わった赤外線レーザーが、左奥の丸い窓から出てくる。手前に配置された光学素子でその微小な変化を検出する。

強磁場を加えた空間内では、真空の歪みによって赤外線の偏光にわずかなズレが生じます。それを検出するため、高精度の赤外線レーザーを2枚の鏡に当てて反射させ、ズレを増幅させます。また、微少なスケールの真空の歪みの観測には、X線が適しています。X線は赤外線よりも波長が約4桁短く、歪みをマイクロメートル単位で観測することができます。これらの実験で活用するのが、理化学研究所の「X線自由電子レーザー施設(SACLA)」です。真空を歪める方法には、大強度のレーザーを衝突させる、X線自身を分岐して衝突させるなどもあり、それぞれ世界初の試みです。

大強度赤外線レーザーを集中させて真空を歪め、X線の散乱で歪みを検出する。赤外線レーザーは写真左奥から供給され、四角い容器内で集中させる。X線は右のパイプから送られてくる。理研の「X線自由電子レーザー施設(SACLA)」を利用する。

私たちがもうひとつ力を入れるのが、「ポジトロニウム」と呼ばれる、真空や時空を探る上で鍵を握る粒子を使った実験です。それは、電子とその反粒子である陽電子が結びついた準安定な粒子で、スピンの状態に応じて「パラポジトロニウム」と「オルソポジトロニウム」の2種類があります。前者は真空とよく似た性質を持つ一方、後者は光とよく似た性質を持ち、両者の違いを精密に調べることで、真空の性質を調べることができます。

現在までに、両者のエネルギー差を100万分の1の精度で測定し、理論予想と合っていることを確認しました。また、ミリ波の大強度光源を福井大学と共同開発し、それを照射することで、オルソポジトロニウムをパラポジトロニウムに世界で初めて変化させることにも成功しました。目下、レーザーを使ってオルソポジトロニウムを「凝縮」させ、巨視的なサイズでのオルソ→パラ変化を観測するための装置を開発しています。これにより、真空の性質の理解を進めるとともに、γ線レーザーの実現が可能となります。

このように多彩な光技術を駆使し、真空をはじめ、さまざまな素粒子現象を探索していきます。

左)高出力サブテラヘルツ波光源-ジャイロトロン。福井大学が開発したこの装置に、浅井研究室が開発した装置を組み合わせ、ポジトロニウムの状態間のエネルギー差を世界で初めて観測することに成功した。
右)ポジトロニウムの冷却装置。上部に吊るしてあるのが絶対温度4度まで冷やせる冷凍機で、先頭部分にポジトロニウム生成装置が取り付けてある。これをレーザーとうまく組み合わせ、ポジトロニウムを「凝縮」する。

ポジトロニウムとは?

図版 ポジトロニウム

素粒子のひとつである電子には反物質のペアが存在し、陽電子と呼ばれています。電子がマイナスの電荷を持っているのに対し、陽電子はプラスの電荷を持っているため、お互いに電気的に引き合い、水素原子のように準安定な原子をつくります。これがポジトロニウムです。お互いが反物質であることから、短い寿命でガンマ線に崩壊しますが、正確な理論計算が可能なため、素粒子理論の精密検証には非常に有用です。ポジトロニウムのスピンの状態に応じたエネルギー準位差(超微細構造)のほか、寿命なども精密に計算されており、研究グループではそれらの実験的検証も行なっています。

X線自由電子レーザーとは?

X線は可視光よりもおよそ100~10万倍くらいのエネルギーを持った光です。レントゲン撮影などで使われていますが、そのためのX線源は、いわば白熱電球のような仕組みであるため、実験には適さない光源でした。これに対し、加速した電子を制御することでX線をレーザーのように発振するのがX線自由電子レーザーです。任意のエネルギーを持ったX線を、短いパルス幅かつ大きな強度で照射することができます。現在、世界で2台稼働しているうちの1台が日本の播磨(兵庫県)にあるSACLAと呼ばれる施設です。物性研究や生物研究に主に利用されてきたSACLAですが、当研究グループでは素粒子研究にも応用を進めています。

写真 X線自由電子レーザー施設(SACLA)
X線自由電子レーザー施設(SACLA) 提供:国立研究開発法人理化学研究所