浮遊するガラスビーズが物理学者の未知の探究に役立つかもしれない

フランチェスコ・リッチは、絡み合ったワイヤーと小さな鏡で覆われたテーブルの前に立っている。「ここですべてが起こります」と彼は言いながら、クッキー缶ほどの大きさの金属製の円筒を指差した。バルセロナの光子科学研究所の大学院生であるリッチは、異国の地を調査するために作った装置「ナノスケープ」を見せてくれた。

ナノスケープを拡大すると、原子が互いに協力して分子を形成したり、タンパク質が細菌の表面に付着したりする様子が垣間見える。しかし、こうした小さな生き物をはっきりと観察するのは難しい。「秤のような身近な道具を使って測定することはできません」とリッチは言う。彼はソーセージのような巨視的な指でジェスチャーをしながら、テーブルの上の小さな鏡の位置を完全にずらしてしまうほどだ。「もっと精密な道具が必要なのです」。そのために、科学者たちはDNA鎖を引っ張ったり、原子一つを掴んだりできるほど繊細な機械を開発してきた。

リッチ氏のチームは、新たなツールをキットに加えました。クッキー缶の中には、大腸菌1個分の1億分の1の重さを測定できるセンサーが内蔵されています。これほどの高感度であれば、物理学者たちは、これらのデバイスが未知の存在、つまり新しいタイプの重力波、あるいは暗黒物質粒子を指し示す微弱な信号を捉えられる可能性があると考えています。

この装置の心臓部は、ウイルス大の浮遊するガラスビーズで、赤外線レーザーによって制御された光子群が照射され、ビーズは浮遊状態に保たれます。ビーズは真空中で浮遊するため、摩擦がほとんどなく、ほんの少し触れただけでもずれてしまう可能性があります。例えば、化学者はビーズに分子を取り付け、注意深く制御された力で軽く押し、その揺れのリズムを観察することで、分子1個の重量を測定できます。そして、その揺れの速さから質量を算出できます。軽い分子ほど揺れが速いのです。

リッチ氏の装置の特徴は、その精度にある。他の科学者も同様に感度の高い装置を開発しており、陽子1個ほどの小さな重量変動も検出できる。しかし、ノースウェスタン大学の物理学者アンドリュー・ジェラシ氏によると、それらの測定値ははるかに信頼性が低かったという。一部のセンサーは、体重計の誤差約50ポンドに相当する30%以上の誤差を示すものもあった。

対照的に、リッチ氏のセンサーの精度は約1%で、これは体重計の誤差約1.5ポンド（約750g）に相当する。このような高精度センサーの目標の一つは、個々のタンパク質やその他の分子の高解像度画像を作成することだと、リッチ氏の同僚でこの研究には関与していない物理学者のエイドリアン・バハトルド氏は述べている。バハトルド氏はカーボンナノチューブを使った同様のセンサーを開発している。例えば、単一の分子を磁場の中に置くと、分子を構成する原子が回転する。個々の要素はそれぞれ異なる速度で回転するため、近くの力センサーで原子の回転速度を検出し、要素を識別できる可能性がある。

ジェラシ氏によると、リッチ氏のセンサーは物理学における最も難解な難問のいくつかを研究するのにも応用できる可能性があるという。例えば、物理学者たちは数十年にわたり、銀河スケールでの星の動きを正確に説明する重力の法則が、量子力学の微視的な法則となぜ両立しないのかを解明しようと苦心してきた。この疑問を解明するため、ジェラシ氏のチームは現在、ナノスケールのガラスビーズを小さな金の鏡の極めて近くに浮かせる実験を行っている。彼らは、2つの物体間の微小な重力引力を測定しようとしている。十分な精度で測定できれば、重力の量子的性質に関する既存の説を否定できる可能性がある。リッチ氏の較正技術は、この精度を達成するのに役立つ可能性がある。

さらに、ジェラシ氏は、浮遊ナノビーズを用いた高周波重力波の観測装置を開発している。高周波重力波とは、LIGOのような既存の研究所では検出できない時空の狭い波紋である。このような波がガラスビーズ上を伝わると、ビーズを浮遊させているレーザービームの形状が変化する。するとビーズが動き、センサーがその動きを検知できる。マサチューセッツ工科大学の天体物理学者ネルギス・マヴァルヴァラ氏によると、理論家はこうした重力波は稀だと予測しているが、実際に探査した人はいないという。

このような検出器のコストは、比較的安価です。ジェラシ氏のチームは、装置の長さは約90センチで、テーブルの上に設置できると試算しています。LIGOと比較してみましょう。LIGOのL字型の装置は2つあり、全長4.6キロメートルのアームで構成されており、建設費は累計で10億ドルを超えています。「高周波重力波を検出するには、技術的に簡単で安価な装置を作れば十分です」とマヴァルヴァラ氏は言います。

これらのより狭い重力波が検出されれば、物理学者が宇宙の質量の85%を占めると考えている仮説上の物質である暗黒物質の探索に役立つ可能性があります。ジェラシ氏とペリメーター研究所の物理学者アシミナ・アルヴァニタキ氏は、アクシオンと呼ばれる仮説上の暗黒物質粒子がブラックホールと相互作用することでこれらの重力波が発生するはずだと結論付けました。

科学者の鋭敏さは、使うツールの鋭さに左右される。ナノ空間では「何を測定しているのかを理解するのは非常に難しい」とバハトールド氏は言う。リッチ氏のような精密に調整されたセンサーは、物理学者が「自らの測定結果をどれだけ信頼できるか」というメタな問いに答えるのに役立つ。

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