Searching violation of gravitational inverse square law at micro-meter scale

• Project/Area Number: 23K20851
• Project/Area Number (Other): 21H01096 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Rikkyo University
• Principal Investigator: 村田 次郎 立教大学, 理学部, 教授 (50360649)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): Zeidler Simon 立教大学, 理学部, 助教 (80773598)
• Project Period (FY): 2024-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2025: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2024: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2023: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2022: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2021: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: 余剰次元 / 近距離重力 / 逆二乗則 / 重力の量子化 / ローレンツ対称性 / 重力 / 近距離重力実験 / 対称性 / 逆二乗測

Outline of Research at the Start

万有引力の法則は近代物理学の出発点であると同時に、現代でも実験検証が困難な法則である。とりわけ、ミクロン以下の超近距離では重力が存在するかどうかもわかっていない。近距離での力の法則を支配する量子論の枠組みは、重力に関しては機能しない事も現代物理学の大問題であり、本研究は実験的にこの問題に取り組むものである。

Outline of Annual Research Achievements

重力の決定的な弱さの謎、量子化の困難に突破口を与えうる実験的兆候を探すべく、主にミクロンスケールにおける重力の逆二乗則の検証実験を進めた。特に、地面振動を抑制する為に松代地下観測室への移設に伴い、装置を小型化しNewton-V alpha-1の開発、測定試験を進めた。
Newton-V alpha-1はこれまで、調整が難航していたワイヤーの位置、干渉型レーザー変位計の位置などを全てアクチュエータを用いてミクロン精度で遠隔操作するもので、観測の為の調整を大幅に容易にする事に成功した。これを用いて重力源であるアトラクターの軸ブレに代表される位置パラメターの測定試験などを進め、立教大学での予備測定を通して開発を進めた。予備測定に際してはコッククロフト・ウォルトン加速器室を活用してこれを進めた。
また、松代地下環境での地面振動の測定データの解析、加速度計の整備を予備試験、干渉型レーザー変位計を用いて取得する時系列データのデータ収集装置の開発と、その誤差解析をJ-PARCを含む様々な測定環境で進めた。
特に、時間変動する電圧データを最大で500MHzで取得し、ここから時間変動する成分を抽出する手法を考案し、誤差評価を含めて確立することができた。
技術的進展と合わせて、重力の量子化に実験的に道を拓く３つの可能性として近距離で重力が強まること、逆に弱まること、あるいはローレンツ対称性が破れることを検討してきたが、これを理論家と議論を進める中で理解と方向性を定めることができた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本予算にかかる研究は順調に進んでおり、研究期間内に松代地下環境での物理計測を達成できる見込みであるため。

Strategy for Future Research Activity

これまでに進めて来たNewton-V alpha-1の開発を完成させ、これを松代地下環境へ完全に移設して遠隔観測を開始する予定である。

Research Products

• [Presentation] 余剰次元の存在可能性検証のための近距離重力実験 (2024)
  • Author(s): 石川悠海, 赤松翔映, 伊藤徳, 加藤智也, 宍倉遼太, 藤家拓大, 横溝充彦, 村田次郎
  • Organizer: 日本物理学会第79回年次大会
• [Presentation] Experimental Test of Gravitational Inverse Square Law and Lorentz Invariance (2024)
  • Author(s): Jiro Murata
  • Organizer: General Relativity and Beyond
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Towards quantum gravity: Test of Gravitational Inverse Square Law and Lorentz Invariance (2024)
  • Author(s): Jiro Murata
  • Organizer: Fundamental Physics using Atoms, Okayama
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Quantum Gravity and Lorentz Violation (2023)
  • Author(s): Jiro Murata
  • Organizer: Hawaii 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] マイクロメートルスケールにおけるNewton-Vを用いた重力の逆二乗則の検証実験物理測定の報告 (2023)
  • Author(s): 横溝允彦, 梶原拓真, 小林直一, 芝口拓之, Simon Zeidler, 村田次郎
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] Newton-Vを用いた重力逆二乗則検証実験物理測定の報告 (2022)
  • Author(s): 小林直一, 梶原拓真, 芝口拓之, Simon Zeidler, 横溝允彦, 村田次郎
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Patent(Industrial Property Rights)] 実数拡張情報処理装置及び方法 (2022)
  • Inventor(s): 村田次郎、若田真来、原里紗
  • Industrial Property Rights Holder: 村田次郎、若田真来、原里紗
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2022