GRASIAN: Shaping and characterization of the cold hydrogen and deuterium beams for the forthcoming first demonstration of gravitational quantum states of atoms

重力は、私たちが一瞬一瞬感じている力であり、私たちの足を地面に留め、海洋をその盆地に留めておく目に見えない絆です。何世紀もの間、私たちは重力を、落ちるリンゴにも漂う雲にも等しく適用される規則、すなわち滑らかで連続的な引き寄せとして理解してきました。しかし、物理学の規則が最小の粒子に対して変化する量子世界では、重力は異なる振る舞いをします。それは滑らかに引き寄せるのではなく、粒子を特定の、離散的な高さのレベルへと強制します。それはまるで、段（ラング）の上に立つことはできるが、段と段の間の空間には決して立つことができない梯子のようなものです。これらは「重力量子状態」と呼ばれます。科学者たちはすでに中性子においてこの奇妙な挙動を確認していますが、現在は、重力がすべての物質、さらには反物質に対しても同じように機能するかどうかを明らかにするための試みとして、原子においてこの現象を捉えようとする新たな取り組みが進められています。

オーストリア、スイス、フィンランド、フランスの物理学者によるチームであるGRASIANコラボレーションは、水素原子におけるこれらの量子状態を観察するための特化した装置を構築してきました。彼らの目標は、水素のビームを非常にゆっくりと滑らかに移動させ、原子が重力の目に見えない段の中に落ち着けるようにすることです。これを行うために、彼らは原子を絶対零度近くまで冷却し、一連の狭い開口部を通して誘導し、動きが速すぎるものや不規則すぎるものを排除しなければなりません。原子は非常に軽く制御が困難であり、また、真空チャンバー内の浮遊ガス分子からの背景ノイズによって信号が容易にかき消されてしまうため、この挑戦は極めて困難です。

最新の研究において、チームはこの混沌とした環境を制御する上で大きな進展があったと報告しています。彼らはまず、一連の精密な穴とスリットを用いて水素ビームの形状を整え、原子のストリームをわずか2ミリメルの幅に絞り込みました。このコリメーション（平行化）プロセスはふるいのように機能し、最も秩序ある原子のみを通過させます。これらのスリットの高さを慎重に調整することで、研究者たちは非常に特定の垂直速度を持つ原子を選択し、毎秒わずか数センチメートルの速度で移動するものを選別することができます。このゆっくりとした安定した動きは不可欠です。なぜなら、より速い原子は、量子的な段に落ち着くことなく、単にその上を飛び越えていってしまうからです。

しかし、完璧に整えられたビームを用いたとしても、実験は大きな障害に直面しました。検出器が、壁から真空系内に漏れ出した浮遊水素原子からの信号を拾ってしまい、真の信号とノイズを区別することが困難になったのです。これを解決するために、チームはまず水素をその重い従兄弟である重水素に入れ替えることを試みました。重水素は重いため、同じ温度でも動きがより遅く、また真空システム内での存在がはるかに稀であるため、背景ノイズを自然に減少させることができました。この切り替えにより信号の明瞭さが向上し、チームは秒速95メートル未満で移動する重水素原子を検出することに成功しました。

最も劇的な改善は、検出チャンバー自体の設計変更によってもたらされました。彼らは液体ヘリウムで冷却された二重層のシールドを設置し、検出器の内部を、浮遊ガス分子を凍結させて取り除くクライオポンプへと事実上変貌させたのです。この単純ながらも強力な変更により、ビームに関連する背景ノイズはほぼ完全に排除されました。ノイズが抑制されたことで、チームは秒速72メートルという低速で移動する水素原子の検出に成功しました。この閾値は、重力量子状態を観察するために必要な速度に肉薄するものです。

研究者たちは次に、現在のセットアップが最終実験への準備ができているかどうかをテストするために、コンピュータシミュレーションを用いました。彼らは、原子が重力分光計（重力量子状態の高さの測定のために設計された装置）を通過する際にどのように振る舞うかをモデル化しました。シミュレーションの結果、現在達成されている速度があれば、重力量子状態の存在を示す明確なステップを観察できることが示されました。チームは現在、自分たちの装置が現在の検出チャンバーを最終的な分光計に置き換える準備ができていると確信しています。もし成功すれば、この実験は原子における重力量子状態が初めて観測された事例となり、重力の根本的な性質を知るための新たな窓を開き、将来的には重力が反物質にどのように作用するかをテストすることを可能にするかもしれません。