Only Perception: 加速器能尋找普朗克尺度的重力跡象

2012-10-25

加速器能尋找普朗克尺度的重力跡象

Accelerators can search for signs of Planck-scale gravity
http://phys.org/news/2012-10-planck-scale-gravity.html

By Lisa Zyga, October 15, 2012

(Phys.org) -- 雖然量子理論能解釋自然界中四種力的其中三種，不過科學家目前仍依賴廣義相對論來解釋第四種力，重力（gravity，引力）。然而，沒人能確定重力在非常短的距離下如何作用，尤其是在最短的距離下：普朗克長度（Planck length，10^-35 m）。到目前為止，在實驗中約能到達的最小距離是 LHC 的 10^-19 m。

現在，在 Physical Review Letters 上發表的一篇論文中，德國漢堡，Deutsches Elektronen-Synchrotron（DESY，德國電子同步加速器）的物理學家 Vahagn Gharibyan 提出一種量子重力的測試，依據粒子加速器的能量，可達 10^-31 m 接近普朗克長度的敏感度。

如 Gharibyan 的解釋，數種量子重力模型預測，接近普朗克長度的虛無空間（empty space）表現會像是一種結晶體，在某種程度上，空間有折射能力（refractive）--- 光由於斡旋重力的假想粒子「重子 (gravitons，重力子，引力子)」而彎曲 --- 且具有雙折射性（birefringence，複折射性）／手性（chirality，對掌性）--- 光的彎曲程度也取決於光的偏振。

在量子重力中，折射性與雙折射性均為能量相依：光子能量愈高，光子--重子交互作用愈強，彎曲程度也愈大。當光子與電磁場或物質交互作用時所發生的事則與這種相關性相反，在此，這些效應受光子能量抑制。預測到的相關性也與根據牛頓重力與愛因斯坦廣義相對論時所發生的事不一樣，在此，光的任何彎曲與光的能量無關。

"若某人在量子層次上描述重力，因重力而曲折的光會變成與能量相依 -- 與牛頓重力或愛因斯坦廣義相對論不同，" Gharibyan。"光子的能量愈高，彎曲程度愈大，或光子--重子交互作用應當愈強。"

Gharibyan 指出，這種光的彎曲，根據量子重力模型，或能用高能加速器射束來研究，在小尺度下探測虛無空間的真空對稱性（vacuum symmetry）。加速器能使用高能康普頓散射（Compton scattering），在其中，光子將另一個移動粒子散射取得能量，導致其動量改變。與正常尺度下的預期的相比較，所提議的實驗能偵測量子重力的效應如何改變光子的能量--動量相關性。

對這些實驗而言，在決定小尺度效應的敏感度上，射束能量非常重要。Gharibyan 估計，一個能量為 6 GeV 的輕子加速器，例如像 DESY 的 PETRA-III，可測試 10^-31 m 的空間雙折射。未來的加速器，能量可高達 250 GeV，例如被提出來的國際直線對撞器（International Linear Collider，ILC），則能探測達到普朗克長度的雙折射。至於折射性探測，Gharibyan 估計，6GeV 機器的敏感度可達 10^-27 m，而 250 GeV 的機器約可達到 10^-31 m。

如 Gharibyan 的解釋，以這種方式探測普朗克尺度下的重力，有點類似探究奈米尺度下的結晶體結構。

"傳統的結晶體的晶胞（cell）大小約幾十奈米，而且也是透明的，或著不會與波長大上許多（m 或 mm）的光子交互作用，" Gharibyan 說。"為了要研究結晶體晶胞／結構，某人需要相容於 nm 波長的光子：X 光。然而，波長為結晶體晶胞千倍的可見光，仍可「感覺」晶胞的平均影響力：光會出現折射或雙折射。將之與普朗克長度的結晶體相比，我們沒有普朗克波長的光子，或如此巨大的能量。相反的，我們能使用能量低許多的光子（相對來說），藉此感覺普朗克結晶體晶胞（或稱空間晶粒／space grains）的平均效應。"

事實上，如同 Gharibyan 的發現，這裡已有重子的實驗性暗示。

"透過應用已開發出來的、用在快於光之 gamma 射線的方法（那是我早先在來自於美、德最大型電子加速器的資料中發現的），這項研究展現量子重力交互作用的證據，" 他說。"在宇宙真空中缺乏任何星光偏折（starlight deflection），暗示地球的重力子應被納入考慮，是造成所觀測到的、加速器之 gamma 射線彎曲的原因。"

Gharibyan 發現，來自 DESY 已關閉的 26.5 GeV Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA) 的資料，測得大小為 2.6x10^-28 m 的普朗克晶胞，而來自美國史丹佛大學已封存的 45.6 GeV Stanford Linear Collider (SLC) 測得大小為 3.5x10^-30 m 的空間晶粒。雖然這些結果提供普朗克尺度重力的某些暗示，但這些實驗均非被設計成專門用來測試重力的工具，故Gharibyan 警告，未受控制的某些小步驟可能會仿造出所觀察到的效應。

若 Gharibyan 所提議的新實驗能被執行，它們將提供接近或剛好為普朗克尺度之空間的首度直接測量，這麼做之後，將能更就近一瞥見這個神秘領域中的重力。

※ 相關報導：

＊ Testing Planck-Scale Gravity with Accelerators
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.109.141103