物理学における最も驚くべき予測の1つは量子もつれであり、これは離れた場所にある物体同士が依然としてつながっている現象である。量子もつれの最もよく知られた例は、光の微小な塊(光子)と低エネルギーに関するものである。
ジュネーブにある世界最大の粒子加速器、大型ハドロン衝突型加速器(LHC)では、ATLASと呼ばれる実験が、科学で知られている最も重い粒子であるトップクォークのペアにおけるエンタングルメントを発見したばかりである。
この結果は、ATLAS共同実験に参加する私と同僚たちによる新しい論文で説明されており、本日『Nature』に掲載された。
量子もつれ（エンタングルメント）とは何か？
日常生活では、物体が「分離している」か「つながっている」かのどちらかだと考える。1キロメートル離れた2つのボールは分離している。紐でつながれた2つのボールはつながっている。
2つの物体が「エンタングル」している場合、それらの間に物理的なつながりはないが、真に分離しているわけでもない。1つ目の物体を測定すれば、2つ目の物体を見る前でも、その物体が何をしているかを知るのに十分である。
2つの物体は、それらをつなぐものが何もないにもかかわらず、単一のシステムを形成する。これは、都市の反対側にある光子で機能することが示されている。
この考え方は、劉慈欣のSF小説に基づく最近のストリーミングシリーズ『三体』のファンにはおなじみだろう。番組では、宇宙人が私たちの技術を妨害し、私たちと通信するために、地球に微小なスーパーコンピューターを送り込んでいる。この微小な物体が宇宙人の故郷にある双子とエンタングルしているため、宇宙人は4光年離れていてもそれと通信し、制御することができる。
物語のその部分はSFである。量子もつれは実際には光速よりも速く信号を送ることはできない。(量子もつれによってそれが可能になるように思えるが、量子物理学によるとこれは不可能である。これまでのところ、私たちの実験はすべてその予測と一致している)
しかし、量子もつれ自体は実在する。1980年代に、当時最先端の実験で光子に対して初めて実証された。
今日では、商業プロバイダーからエンタングルした光子のペアを放出するボックスを購入することができる。量子もつれは量子物理学によって記述される特性の1つであり、科学者やエンジニアが量子コンピューティングなどの新技術を創造するために利用しようとしている特性の1つでもある。
1980年代以降、量子もつれは原子、一部の素粒子、さらには非常に微小な振動を行う微小な物体でも観察されている。これらの例はすべて低エネルギーにおけるものである。
ジュネーブからの新しい発見は、トップクォークと呼ばれる粒子のペアで量子もつれが観察されたことであり、ここでは非常に小さな空間に膨大な量のエネルギーが存在する。
では、クォークとは何か？
物質は分子でできており、分子は原子でできている。原子は、太陽系の中心にある太陽のように、中心にある重い原子核の周りを軽い粒子である電子が周回している。これは1911年頃の実験からすでに知られていた。
その後、原子核は陽子と中性子でできていることがわかり、1970年代までに陽子と中性子がさらに小さな粒子であるクォークでできていることが発見された。
クォークには合計6種類ある。陽子と中性子を構成する「アップ」クォークと「ダウン」クォーク、そしてさらに4つの重いクォークがある。5番目のクォークである「ビューティ」または「ボトム」クォークは陽子の約4.5倍重く、発見したときはとても重いと思われた。しかし、6番目で最後のクォークである「トップ」クォークは驚異的で、タングステン原子よりもわずかに重く、陽子の184倍の質量がある。
トップクォークがなぜそれほど質量が大きいのか、誰も知らない。トップクォークは、まさにこの理由から、大型ハドロン衝突型加速器で集中的に研究されている対象である。(私の拠点であるシドニーでは、ATLAS実験における私たちの研究のほとんどがトップクォークに焦点を当てている。)
非常に大きな質量が手がかりになるのではないかと考えている。おそらく、トップクォークがそれほど質量が大きいのは、トップクォークが私たちがすでに知っている4つの力を超えた新しい力を感じているからかもしれない。あるいは、「新しい物理学」と何か他のつながりがあるのかもしれない。
私たちが現在理解している物理法則が不完全であることは分かっている。トップクォークの振る舞い方を研究することで、新しい何かへの道が示されるかもしれない。
では、量子もつれはトップクォークが特別であることを意味するのか？
おそらくそうではない。量子物理学では、量子もつれは一般的であり、あらゆる種類のものがエンタングルする可能性があると言われている。
しかし、量子もつれはまた脆弱でもある。多くの量子物理学実験は、システムを「衝突」させて乱さないように、超低温で行われる。そのため、これまで量子もつれは、科学者が測定を行うための適切な条件を設定できるシステムで実証されてきた。
技術的な理由により、トップクォークの非常に大きな質量が、量子もつれを研究するための優れた実験室となっている。(新しいATLASの測定は、他の5種類のクォークでは不可能だったであろう。)
しかし、トップクォークのペアが便利な新技術の基礎になることはないだろう。大型ハドロン衝突型加速器を持ち運ぶことはできないのだから。それにもかかわらず、トップクォークは実験を行うための新しい種類のツールを提供し、量子もつれ自体が興味深いものであるため、私たちは他に何が見つかるかを探し続けるだろう。
