「重力子」は本当に存在するのでしょうか？凝縮系物理学が「代替物」を発見

著者: 羅慧謙、中国科学院物理研究所研究員

皆さんは重力や一般相対性理論について聞いたことがあるでしょうし、おそらく量子力学についてもご存知でしょう。しかし、重力子とは何であるか知っていますか?最近、南京大学の研究チームは「分数量子ホール効果重力子」を発見したと主張した（この研究は3月28日にネイチャー誌に掲載された）。では、この重力子とはどのような粒子なのでしょうか?分数量子ホール効果とはどういう意味ですか?今日は凝縮物質における「重力子」についてお話します。

物理学者は常に「世界を統一する」という夢を抱いており、宇宙のあらゆるものの働きを支配する法則が「最小限」、つまり非常に「単純」であるため、おそらく 1 つの方程式だけで説明できるのではないかと期待しています。しかし問題は、広大な宇宙を記述するには通常、一般相対性理論が必要であるのに対し、微視的な粒子を記述するには量子物理学が必要であるということです。 2 つに関わる時間、空間、エネルギーのスケールは N 桁異なります。これは、一般相対性理論と量子物理学が「完全に無関係」であり、それらを統一することが極めて難しいことを意味します。 1939 年、量子重力理論の出現により、大統一物理学の実現可能なアイデアが生まれました。その中心となる考え方は、「重力子」と呼ばれる粒子の存在が必要であるということです。

「グラビトン」とは何ですか?単純に電磁相互作用と比較してみましょう。電気と磁気の相互作用は電磁場の存在によるものであり、電磁場の乱れによって電磁波が放出されることがわかっています。光は一般的な電磁波です。科学者たちは、量子物理学の観点から電磁相互作用を説明するには、エネルギーを転送する量子を見つけてそれを数えるだけでよいことを発見しました。この電磁波の量子が「光子」です。光子には特定の周波数があり、それが光子が持つエネルギー単位を表します。電磁相互作用を説明するには、これらのエネルギー単位が何であるか、いくつあるか、そしてどこに行くかを数えるだけで済みます。それは便利じゃないですか？アインシュタインは一般相対性理論を初めて確立したとき、重力波の存在を予測しました。彼は重力場が時空の幾何学的構造に対応していると信じていた。小さな石を時空に落とすと、水の波のように外側に広がる「波紋」が発生します。これらは重力波です。量子重力理論によれば、電磁波のエネルギー量子が光子であるのと同様に、重力波のエネルギー量子は「重力子」です。

重力子の理論は完璧であるように思われ、他の物理理論の基礎にもなっています。たとえば、重力子は、超弦理論の改良版である超膜理論において中核的な位置を占めています。たとえば、暗黒物質は質量の大きい重力子で構成されている可能性があります。しかし、科学者たちは長年にわたり研究を続けてきたが、実験で「重力子」の兆候を一度も観察したことがない。対照的に、重力波は2016年初頭に発見されたと発表され、すぐに2017年にノーベル物理学賞を受賞しました。

重力子の測定には多くの課題がありますが、主な理由は重力子のエネルギーが極めて低いことです。宇宙のブラックホール、中性子星、超新星現象のエネルギースケールと比較すると、重力子のエネルギーはごくわずかです。重力子を検出することは、遠い惑星で足を踏み鳴らすのと同じことかもしれない。地球上でそれを測定するのは重力波を測定するよりもはるかに困難です。

しかし、粒子そのものを直接検出することに加えて、物理学者には粒子の「代わり」を見つけるという別の選択肢がある。この独創的なトリックは、凝縮物質物理学者のグループによって発明されました。物質を構成する固体、液体、ガラス状、ゲル状などの状態はすべて「凝縮物質」と呼ばれます。凝縮物質には、少なくとも 1023 個のオーダーの微小粒子が多数存在します。これらの粒子間には、主に電気的相互作用と磁気的相互作用を中心に、多くの相互作用が存在します。各粒子の運動方程式を書くことはできますが、1023 を超える方程式のセットを解く方法はありません。そのため、物理学者は「準粒子」という概念を構築しました。つまり、多数の粒子を 1 つの粒子に簡略化し、より簡単な方程式で記述できるというものです。光子の考え方と同じように、固体内の複雑な相互作用を記述するには、これらの準粒子の分布を数えるだけで十分です。たとえば、原子の熱振動は音と熱を伝達することができるため、エネルギー量子は「フォノン」と呼ばれ、物質内の音波の量子になります。原子の磁気モーメントの振動を伝えるエネルギー量子は「マグノン」と呼ばれ、科学者にちなんで名付けられた「ワイル粒子」「ディラック粒子」「マヨラナ粒子」なども存在します。

これらの粒子は、本質的には素粒子理論におけるワイル方程式、ディラック方程式、マヨラナ方程式を満たすため、このように呼ばれており、少なくとも形式的には違いはありません。

この時点で、私たちが普段話題にしているさまざまな微小粒子、つまり、既知か未知かを問わず、凝縮物質内の準粒子はすべて、それらの「代替物」に変えることができると推測できたかもしれません。グラビトンも例外ではありません。約 10 年前、ノーベル賞受賞者のハルデンは、分数量子ホール効果 (「分数量子ホール効果重力子」とも呼ばれる) に重力子のような準粒子励起が存在する可能性があると提唱しました。いわゆる分数量子ホール効果は、2 つの半導体の間に挟まれたような 2 次元空間に電子のグループを閉じ込めることです。強い磁場と極低温の条件下では、これらの集団電子間のクーロン相互作用によって一連の新しい量子状態が形成されます。対応する準粒子の電荷は、最小単位としての素電荷に基づくものではなく、素電荷の 3 分の 1 などのように分数化されます。このシステムには多くの形態の準粒子が存在し、ハルデンはそのうちの 1 つが量子重力理論で提唱されている「重力子」に非常に似ていると考えています。

準粒子が別の粒子の「代役」であるかどうかを判断するには、身長、体重、声紋、指紋などを確認するのと同様に、両者に対して「身体検査を行う」必要があります。両者の質量、スピン、電荷、カイラリティなどを比較することができます。ハルデンが信じた「分数量子ホール効果重力子」は、スピン2やカイラリティなど、量子重力が予測する重力子と同じ特性を持っています。ここでのスピンおよびカイラリティは、その固有の磁気モーメントを指し、自己回転のようなもので、右巻きの螺旋の規則にのみ従うなど、特定の方向を持ちます。

南京大学の研究チームが検出した「重力子」は、ガリウムヒ素の量子井戸の中で発見された。この実験は非常に困難です。一方では、温度は絶対零度 10 mK (-273.14°C) に非常に近くなければならず、磁場は 10 T と非常に強力でなければなりません。他方では、測定プロセスでは円偏光可視光を使用する必要があり、必然的に透明窓からの熱漏れの問題が発生します。さらに、重力子の形態の準粒子のエネルギーは極めて低く（約 70 GHz）、これは非弾性ラマン散乱実験の限界にほぼ相当します。しかし、この一連の挑戦は最終的に成功し、さまざまな実験的証拠はハルデンが予測した「分数量子ホール効果重力子」と一致しました。これは、凝縮物質物理学には大きな可能性があり、まだ発見されていない興味深い準粒子がさらに存在することを示しています。

固体中の「重力子」準粒子励起

しかし、この「重力子」は厳密に言えば、本当の意味で自由に存在できる粒子ではなく、「幾何学的励起状態」であることを明確にする必要があります。つまり、見た目は似ていますが、「IDカードコード」を確認すると、両者の違いが分かります。たとえば、前者は 2 次元空間にあり、空間スケールでのみ効果を発揮しますが、後者は 3 次元空間に属し、時間 + 空間 (つまり「時空」) の量子化された形式です。さらに、前者は特定のエネルギースケール以上でのみ出現しますが、後者は重力波が遠い宇宙スケールに及ぶため、極めて長距離の相互作用に属します。

もちろん、この「重力子」の代替物にも独自の価値があります。たとえば、ポーラロンと呼ばれる固体内の準粒子を使用して、回転するブラックホールをシミュレートできます。おそらく、「分数量子ホール効果重力子」の助けを借りて、実験的にテストできない量子重力理論の側面もシミュレートできるのではないでしょうか。

結局、生き方はシンプルで、世界は一つです。物理学には多くの基本原理があり、それらはすべて相互に関連しています。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者名: 羅慧謙

査読者: 張双南、中国科学院高エネルギー物理研究所研究員

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司