ガンマ線レーザーで未来を切り開く

私たちの宇宙と同じか異なる、他にもっと多くの宇宙が存在する可能性はあるのでしょうか？ まだわかりません。

MCUで顕著な概念であるものの、スティーブン・ホーキングのマルチバース理論は、すべての宇宙がそれぞれ独自の空間、時間、物質、エネルギー、物理法則を持つという仮説的な集合であり、映画や理論物理学の領域にとどまり、未だ証明されていません。

私たちが実証すべきものは量子デバイスです。それは量子力学的効果を利用して動作し、量子相互作用の制御と操作に依存して、古典系では不可能な機能を実現するシステムです。

物理学において、クォンタ（quanta の単数形）は任意の物理実体の最小単位です。例えば、光のクォンタは光子です。

さて、宇宙の謎を解くために、私たちは特定の量子デバイス、すなわちガンマ線レーザーが必要です。

この仮想的なデバイスは、通常のレーザーが可視光のコヒーレント光線を生成するように、コヒーレントなガンマ線を生成できるはずです。ガンマ線（記号 γ）は、原子核の放射性崩壊などの高エネルギー相互作用や太陽フレアなどの天文現象から生じる、浸透性の高い電磁放射です。

ガンマ線は X 線よりも短い最短波長の電磁波で構成され、周波数は 30 エクサヘルツ以上、波長は 10 ピコメートル未満です。ガンマ線光子は、あらゆる形態の電磁放射の中で最も高い光子エネルギーを持ちます。

数年前、科学者たちは検出した史上最高エネルギーのガンマ線、20 テラ電子ボルト（可視光の約 10 兆倍のエネルギー）を、パルサーと呼ばれる死星から観測しました。

昨年後半、天体物理学者は撮影した超大質量ブラックホール M87 からのガンマ線フレアの画像。

画像ソース: University of California

今年初め、マルチセンサーによる強烈なガンマ線フラッシュの検出が2つの雷リーダーの衝突時に¹観測されました。これは、地上ガンマ線フラッシュ（TGF）が雷放電と同期して観測された初めての事例です。

さまざまな宇宙現象で観測されるガンマ線は、特定の実験を通じても活発に研究・生成されています。

ガンマ線レーザー実験と実現可能性研究

ガンマ線は高エネルギー電磁放射の一形態で、非常に浸透性が高く、さまざまな分野でいくつかの利点を提供します。

その潜在的な応用例としては医療画像、宇宙船推進、がん治療、そして星間旅行があります。その広大な可能性から、世界中の科学者がコヒーレントなガンマ線を生成するガンマ線レーザー（グレイザー）の実現に取り組んでいます。

ロチェスター大学の研究者は連邦資金を受け取り、コヒーレント光源の実現可能性を研究しています。

1980 年代に、ロチェスター大学のジェラール・ムルーとドナ・ストリックランドはチャープドパルス増幅（CPA）を発明し、レーザーのピークパワーを高め、2018 年にノーベル物理学賞を受賞しました。しかし、ガンマ線を生成するレーザーの開発はまだ達成されていません。そのため、彼らは高密度電子バンチが強いレーザー場と衝突した際に放出される放射のコヒーレンス特性を調査し、コヒーレントなガンマ線生成の理解を深めようとしています。

「コヒーレントなガンマ線を作り出す能力は、可視光や X 線源の発見・開発が原子世界の根本的理解を変えたように、光源の新たな形態を創出する科学的革命になるでしょう。」

– 主任研究者 アントニーノ・ディ・ピアッツァ & 大学の物理学教授

電子がレーザーと相互作用して高エネルギー光を放出する仕組みを研究するため、研究者はまず 1〜2 個の電子が光を放出する様子を観察し、次に多数の電子が関与する複雑な状況でコヒーレントなガンマ線を生成する実験へと進めます。

「我々はこの方法でガンマ線を作ろうとした最初の科学者ではありません」とディ・ピアッツァは当時語りました。「しかし、我々は完全な量子理論—量子電磁力学—を用いてこの問題に取り組んでいます。」

ガンマ線レーザー開発への別のアプローチとして、核アイソマー励起があります。

研究論文²は、数か月前に特定の同位体核を高エネルギー核状態へ励起する方法を概説しました。中性子照射によりアイソマー核を準安定状態に励起し、ガンマ線の誘導放出を引き起こすことで核からのコヒーレンスを実現します。

彼らの新しく「やや型破り」な手法は、中性子照射中に結晶格子をシフトさせることで『グレイザージレンマ』を解決しようとしています。

「この技術は、レーザー兵器を含むさまざまな用途に使用できる極めて強力なレーザーを作り出す可能性があります」とジョルダン・カツァロフ（ジョージ・ベンコフスキー・ブルガリア空軍アカデミー航空装備技術部）が述べました。

現在、コロラド大学デンバー校の研究者は、将来的にガンマ線レーザーを解き放つ可能性のあるチップを作製しました。

この画期的な量子デバイスは手のひらに収まるほど小型で、従来は巨大粒子加速器でしか実現できなかった極端な電磁場を生成できます。親指サイズのチップは、遠くない将来に何マイルもの粒子加速器に取って代わり、宇宙の深遠な謎を解き明かし、マルチバース理論を検証し、原子レベルでがん細胞を破壊し、他の革命的医療治療を可能にする強力なガンマ線レーザーの創出に貢献する可能性があります。

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小さなチップがガンマレーザーの夢を手の届く範囲へ

先端量子技術（Advanced Quantum Technologies）に掲載された、量子科学・材料・技術に関する理論・実験研究を扱うジャーナルで、最新の研究³が 6 月号の表紙を飾りました。

研究が指摘するように、プラズモンを用いることで電磁エネルギーのナノメートルスケールでの閉じ込めが可能です。

プラズモンはプラズマ振動のクォンタであり、プラズマや金属中の電子密度が急速に振動する現象です。これらの準粒子は伝導帯電子ガスの集合振動によって形成されます。

「極端プラズモンは、前例のないペタボルト/メートル（PV/m）電場へのアクセスを含む比類なき可能性を解き放ちます」と研究は述べ、これらの極めて高い電場強度は「粒子物理学や光子科学における新たな広範な可能性を開く」としています。

したがって、研究者は量子動力学的枠組みに基づくこの種のプラズモンの解析モデルを開発しました。

この最新のブレークスルーはコロラド大学デンバー校で実現され、物理学と化学の理解を革命的に変えることを目指しています。

「この技術は新たな研究分野を切り開き、世界に直接的な影響を与える可能性があるため、非常にエキサイティングです。」

– カーカシュ・サハイ、CU デンバーの電気工学助教授

サハイは、同じ研究室の学生であるカリヤン・ティルマラセッティと共に、この技術でSFを現実に変える新しいツールを科学界に提供することに近づいています。

「過去には、レーザー、コンピュータチップ、LED へとつながる亜原子構造など、技術的ブレークスルーが私たちを前進させてきました。このイノベーションは材料科学にも基づいており、同様の路線です」とサハイは付け加えました。サハイはデューク大学でプラズマ物理学の博士号、スタンフォード大学で電気工学の修士号を取得しています。

本研究で達成されたのは、これまで不可能だった実験室での極端な電磁場を創出する方法です。

これらの電磁場は、私たちのコンピュータチップから超大型粒子加速器まで、すべてにエネルギーを供給します。超大型粒子加速器は、亜原子粒子を極めて高エネルギーで加速・衝突させ、物質・エネルギー・初期宇宙の性質に関する洞察を得る装置です。

材料中の電子が極めて高速で振動・跳ね返るときに、これらの電磁場が生成されます。

しかし、先進的実験を実施できるほど強力な電磁場を作り出すには、巨大で高価な施設が必要です。

例えば、暗黒物質を研究する科学者は、欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）などを使用します。LHC はスイスに位置する世界最大の粒子物理学研究所で、全長 27 キロメートル（約 16.7 マイル）の超伝導磁石リングと複数の加速構造を備え、世界で最も強力な粒子加速器です。

この規模で実験を行うには膨大な資源が必要です。費用が非常に高いだけでなく、変動性も大きいです。

この問題を克服するため、サハイの研究室は親指サイズのシリコン（Si）ベースのチップ状材料を構築しました。

シリコンは半導体で、ドーピングにより電気伝導性を変化させることができ、携帯電話や自動運転車などの日常デバイスのマイクロチップ製造に使用されています。

この新しいチップ状材料は高エネルギー粒子ビームを処理し、エネルギーの流れを制御できます。また、量子電子ガスの振動や振盪によって生成される電磁場へのアクセスを科学者に提供し、すべてが極小空間で実現されています。

高速な振動（振盪）が電磁場を生成し、サハイの手法はその振動によって生じる熱流を管理し、サンプルを安定かつ完全な状態に保つことを可能にします。

「このような高エネルギー流を材料の基礎構造を保護しながら操作できることがブレークスルーです。この技術的ブレークスルーは世界に実質的な変化をもたらす可能性があります。自然の働きを理解し、その知識を世界にプラスの影響を与えるために活用することが重要です。」

– ティルマラセッティ

彼らの技術は、長大な加速器をチップサイズに縮小し、科学者がこれまでにない形で活動を観測できる可能性があります。

大学はすでに米国および国際的にこの技術の暫定特許を取得しています。

しかし、実用的で現実世界への応用には数年を要するでしょう。

実際、技術の基礎的な作業は 2018 年、すなわち 7 年前にサハイが反物質加速器に関する研究を発表したときに始まりました。彼は次のように語っています：

「時間はかかりますが、私の生涯のうちに実現する可能性は非常に高いです。」

以上を踏まえると、この技術は宇宙が根本的なスケールでどのように機能しているかをより深く理解し、生活を向上させる大きな可能性を秘めています。サハイが指摘するように、これによりガンマ線レーザーの実現も期待できます。

「組織的に組織された細胞核だけでなく、基礎となる原子核まで組織をイメージできるようになるでしょう。これにより科学者や医師は核レベルで何が起きているかを観測でき、極小スケールで支配的な巨大な力の理解が加速し、より優れた医療治療や治癒法の開発につながります。最終的には、ナノレベルで核を改変しがん細胞を除去するガンマ線レーザーの開発も可能になるでしょう」と彼は説明しました。

「極端プラズモン」手法は、研究のタイトルでもあるように、マルチバースの可能性を検証する手段にもなります。

しかし、チップに関する作業はまだ完了していません。サハイとティルマラセッティは、SLAC 国立加速器研究所（スタンフォード大学が運営し、米国エネルギー省（DOE）が資金提供）でこのシリコンチップ材料とレーザー技術の改良に取り組む予定です。

超強力レーザーで量子真空をシミュレートする

ご覧のとおり、宇宙から実験室まで、宇宙で最も極端な光に関する理解は急速に進化しています。

私たちは遠方のパルサーからのガンマ線バーストを捕捉し、超大質量ブラックホールのフレアを高エネルギーの光輝で目撃し、さらには地上ガンマフラッシュを生む雷のような衝突も記録しました。現在、地球上で同様の条件を再現する方法を学んでいます。

数か月前、オックスフォード大学の物理学者は、強力なレーザービームが光の無い領域で光を生成できることをシミュレートし、理論概念を現実に変えました。

物理学者たちが成し遂げたのは、強力なレーザービームが量子真空にどのように影響し変化させるかを、初めて 3D シミュレーションで作り出したことです。

Communications Physics に掲載された研究⁴は、先進的な計算モデリングを用いて、強力なレーザーが量子真空とどのように相互作用するかをシミュレートし、その過程で光子同士が跳ね返り新たな光束を生成する様子を明らかにしています。

シミュレーションは真空の四波混合（FWM）を再現しました。これは量子物理学が予測する現象で、3 つの焦点化されたレーザーパルスの結合電磁場が真空中の仮想電子・陽電子対を偏極させ、「暗闇からの光」プロセスと呼ばれる新たなレーザービームを生成します。

「これは単なる学術的好奇心ではなく、これまで主に理論的であった量子効果の実験的確認への大きな一歩です。」

– オックスフォード大学の共同著者 ピーター・ノーレイズ教授

シミュレーションは高度なバージョンのシミュレーションソフトウェア（OSIRIS）を使用して実行され、レーザービームとプラズマまたは物質との相互作用をモデル化しています。

「我々のコンピュータプログラムは、これまで手の届かなかった量子真空相互作用を時間分解能のある 3D ウィンドウで提供します。3 ビーム散乱実験にモデルを適用することで、量子シグネチャの全範囲と相互作用領域および主要な時間スケールに関する詳細な洞察を捉えることができました。」

– オックスフォード大学物理学部の博士課程学生で本研究の第一著者 ザイシン（リリー）・チャン

これらのモデルは研究者が実際の実験、たとえばレーザー形状やパルスタイミングを設計する際に使用されます。さらに、シミュレーションはビーム形状のわずかな非対称性が結果や相互作用の進行にどのように影響するかについて新たな洞察を提供します。

将来の高エネルギーレーザー実験の計画支援に加えて、チームはこのツールが仮説上のサブ原子粒子（例えば暗黒物質候補のアクシオン）の兆候を探すのにも役立つと考えています。

「最先端レーザー施設で計画されている幅広い実験は、OSIRIS に実装された我々の新しい計算手法によって大いに支援されるでしょう」とリスボン工科大学（Instituto Superior Tecnico, University of Lisbon）の共同著者 ルイス・シルバ教授は述べました。「超強度レーザー、最先端検出、最先端解析・数値モデリングの組み合わせが、レーザーと物質の相互作用における新時代の基盤となり、基礎物理学の新たな地平を切り開きます。」

レーザー技術への投資

ガンマ線レーザーはまだ実現されていないことを踏まえ、一般的なレーザー技術に従事する企業の投資可能性を検討します。

L3Harris Technologies (LHX ) は、先進的フォトニクスと防衛・航空宇宙向け高エネルギーレーザーシステムの主要プレーヤーです。同社はコンパクトで高性能なさまざまなレーザーシステムを製造しています。

時価総額 507 億ドル、LHX 株は現在 272.31 ドルで取引されており、年初来で 29% 上昇しています。今月初めには株価が 280.52 ドルの新高値を付け、4 月の安値から 45% 超上昇しました。これに伴い、EPS（TTM）は 8.96、P/E（TTM）は 30.27 です。

LHX 株主は 1.77% の配当利回りを享受できます。

同社の財務面では、L3Harris Technologies は 2025 年第2四半期に売上 54 億ドル、受注 83 億ドルを報告しました。営業利益率は 10.5%、調整後セグメント営業利益率は 15.9% でした。希薄化 EPS は 2.44 ドルで、非 GAAP 希薄化 EPS は 16% 増の 2.78 ドルとなっています。