ビッグバン宇宙を実験室で再現できる理論を構築

• トポロジカル物質の一種である量子ホール状態のエッジ(*1)を膨張させることで、ビッグバン宇宙の始まり（*2）で起こる物理を検証できる理論を構築しました。
• ホーキング博士らが予言していた、急膨張するインフレーション宇宙(*3)で起こるホーキング輻射(*4)や、宇宙の構造形成(*5)の起源を擬似実験として検証できる可能性も示しました。
• これらの手法と理論により、従来の天文観測や大規模加速器実験に頼らない、極限宇宙の新しい検証実験への道が開かれました。

【概要】
　ビッグバン宇宙の始まりやブラックホール(*6)を理解するために、量子力学と一般相対性理論の統一を目指した量子重力(*7)に関する理論研究が進められ、それらの理論検証には天文観測や高エネルギー加速器実験等の大がかりな実験研究が進められています。

　東北大学大学院理学研究科物理専攻の堀田昌寛助教、遊佐剛教授、名古屋大学理学研究科素粒子宇宙物理学専攻の南部保貞准教授、九州大学理学研究院物理学部門の山本一博教授と杉山祐紀さんの研究グループは、量子力学が重要な役割をする初期宇宙の原理的な問題を検証できるシミュレータを、半導体で作成可能であることを理論的に示しました。ここで提案されているのは量子ホール状態とよばれるトポロジカル物質の端を一方向に流れる1次元の電子(エッジ)です。今回の成果は、膨張宇宙でも現れるとされるホーキング輻射や、宇宙の構造形成、AdS/CFT対応(*8)などを実験的に検証する道筋を示した重要な結果です。また、トポロジカル物質に関する新しい物質物理学の窓を拓くことも同時に期待されます。

　本研究成果は専門誌Physical Review D誌（オンライン版）に2022年5月13日（米国東部時間）に公開されました。

【用語解説】

(*1) トポロジカル物質とエッジ:
物質全体が絶縁体となっている普通の絶縁体とは違い、トポロジカル物質は試料の端以外、つまり内部(バルク)は絶縁体であるにもかかわらず、試料の端や表面が金属的で電気が流れる。量子ホール状態は2次元のトポロジカル物質の代表例で、バルクは絶縁体となっているが、試料の端(エッジ)は1次元の伝導体となり、電子は一方向にしか流れず電気抵抗はゼロになる。トポロジカル物質は2016年に、量子ホール効果は1998年と1985年にノーベル物理学賞の対象となっている。

 (*2) ビッグバン宇宙の始まり:
膨張宇宙を遡ると高温高密度の宇宙となる。このような熱いビッグバン宇宙がどのように始まったのか謎であるが、インフレーション宇宙(*3)はそれを説明する有力な候補となっている。

 (*3) インフレーション宇宙:
熱いビッグバン宇宙が始まる直前に存在していたと考えられている宇宙の加速膨張の時代。時間の経過とともに指数関数的に宇宙の大きさが膨れ、正の宇宙項をもつドジッター時空で記述される。

 (*4) ホーキング輻射(放射):
一般相対性理論によって存在が予言されたブラックホールに量子効果を考慮すると、ブラックホールの地平面からホーキング輻射という熱輻射が現れると考えられている。インフレーション期は地平面を伴うため、インフレーション宇宙でもホーキング輻射が予言されている。膨張率が大きい宇宙ほど熱い輻射になる。

 (*5) 宇宙の構造形成:
インフレーション期の加速的な膨張によって、それ以前にあった物質分布の濃淡は消えてしまうが、地平面からのホーキング輻射の量子揺らぎが古典的な物質濃淡を供給する。インフレーション期の後には重力により物質密度の高い領域が成長し、現在の星や銀河などの構造を生み出す種となると考えられている。

 (*6) ブラックホール:
強烈な重力場の効果のため光さえも脱出することができない天体。ブラックホールに関する研究に対して2020年と2017年にノーベル物理学賞が与えられている。

 (*7) 量子重力:
一般相対論で記述される重力を量子的に扱う理論。量子的な時空の重ね合わせを扱う。

 (*8) AdS/CFT対応:
負の宇宙項をもつ反ドジッター(AdS)空間を記述する量子重力理論は、１次元低い次元の平坦な時空での物質場の理論(共形場理論, Conformal Field Theory, CFT)と等価であるという仮説。超弦理論の分野において長く研究されてきた。

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論文情報

研究に関するお問い合わせ先

理学研究院　教授　山本　一博