初めて測定された個々の粒子の圧力

レーザーによって所定の位置に保持された小さなビーズを使用する装置のおかげで、単一粒子によって生成される圧力を初めて測定できるようになりました。この粒子は非常に感度が高いため、研究者らは、暗黒物質を構成する可能性のある粒子など、とらえどころのない新粒子の発見に役立つことを期待している。

圧力は、粒子がオブジェクトに衝突し、集合的にその領域に力を及ぼすことによって発生します。研究者は、各粒子を拡大するのではなく、平均的な効果として考えることがよくありますが、完全に近い真空で行われる実験など、圧力が非常に低い場合、その効果を適切に説明するには各粒子を追跡する必要があります。

イェール大学のYu-Han Tseng氏と彼の同僚は、このような測定を行うことができる最初の装置を構築しました。中心成分は、一部のウイルスの半分の大きさのシリカの小さな球で、ウイルス間の電磁相互作用によってレーザービームで所定の位置に保持されます。粒子が球に衝突するたびに、研究者が検出できる光が反射されます。

この設定をテストするために、チームはデバイスを超高真空中に置き、3 つの異なるガスから粒子を系統的に送り込みました。彼らは、これらの粒子が当たったときのデバイスの動きを測定し、次にそれらの測定値から圧力を計算し、それを数学的予測と比較し、この 2 つがよく一致していることを発見しました。つまり、デバイスは設計どおりに動作していました。

「この測定が機能するには、すべてを正しく行う必要があります」と Tseng 氏は言います。 「慎重にやったら、きれいに測定できました。」

同じくエール大学のチームメンバー、クラーク・ハーディ氏は、この新しい装置を使えば、標準的な圧力センサーでは単にゼロと表示される超高真空の新たな定義を設定できる可能性があると述べた。 「衝突の回数だけを数えれば、この極度の高真空環境における圧力を推定するには十分でしょう」と彼は言う。

「個々の分子の衝突がリアルタイムで観察されることはほとんどありません。伝統的に、その影響は平均的にしか見られません。たとえば、高速で移動する物体が長時間露光の写真でぼやけて見えるのと同じです」とキングス・カレッジ・ロンドンのジョセフ・ケリー氏は言う。

英国ウォリック大学のアニメシュ・ダッタ氏は、自身のチームが開発したものも含め、同様の装置設計が天文学に利用できる可能性があると述べ、例えば、星間の低圧空間に存在するが他のセンサーが見逃した可能性のあるガス粒子を検出することで、星間の低圧空間をより深く理解するのに役立つ可能性があると述べている。

しかし、研究チームは別の目標を念頭に置いている。それは、この装置を使って仮説上の無菌ニュートリノ粒子を検出することだ。これにより、素粒子物理学実験における数十年来の異常現象が解決され、信じられないほど小さな質量の粒子が宇宙に存在する理由が説明され、さらには暗黒物質が何でできているかの有力な候補になる可能性がある。