ボーズ・アインシュタイン相関

天文学、光学、素粒子物理学では、ボーズ・アインシュタイン相関^{[ 1 ] [ 2 ]}は、同一のボソン（光子、光の量子など）間の相関を指します。

2つ（またはそれ以上）の波の干渉によって、これらの波の間に相関関係が確立される。

光学において、2つの光線が干渉するとは、それらの波の位相差が一定である場合をいう。この位相差がランダムであったり変化したりする場合、光線は干渉しない、すなわち非干渉的である。

量子力学では、各粒子に波動関数が関連付けられているため、2 個（またはそれ以上）の粒子間の干渉と相関が生じ、これは数学的には 2 次以上の相関関数で記述されます。^{[注 1 ]}これらの相関は、同一粒子に対して非常に特殊な性質を持ちます。そこで、ボソンについてはボーズ・アインシュタイン相関、フェルミオンについてはフェルミ・ディラック相関を区別します。フェルミ・ディラックの 2 次相関では粒子は反バンチングですが、ボーズ・アインシュタイン相関では粒子はバンチングします。ボーズ・アインシュタイン相関とフェルミ・ディラック相関のもう 1 つの違いは、ボーズ・アインシュタイン相関のみが量子コヒーレンスを示すことができるということです。

波の振幅のコヒーレントな重ね合わせは、一次干渉と呼ばれます。これに類似して、強度干渉、または二次ハンベリー・ブラウン・トゥイス（HBT）干渉があり、これは振幅間の干渉を振幅の二乗、すなわち強度間の干渉に一般化したものです。

光源の高​​次または量子コヒーレンスの概念は、ロイ・J・グラウバーによって量子光学に導入されました。^{[ 7 ]}当初は主にメーザーやレーザーの動作を説明するために使用されていましたが、すぐに他の物理学の分野でも重要な応用があることが認識されました。適切な条件下では、量子コヒーレンスはボーズ・アインシュタイン凝縮につながります。名前が示すように、ボーズ・アインシュタイン相関とボーズ・アインシュタイン凝縮はどちらもボーズ・アインシュタイン統計の結果であり、したがって光子だけでなくあらゆる種類のボソンに適用できます。したがって、ボーズ・アインシュタイン凝縮は超伝導や超流動などの重要な凝縮物質現象の起源であり、ボーズ・アインシュタイン相関はハドロン干渉法でも現れます。

ロバート・ハンベリー＝ブラウンとリチャード・トゥイスによる光学における強度干渉法の発明とほぼ同時期に、ガーソン・ゴールドハーバー、スラミス・ゴールドハーバー、ウォンヨン・リー、アブラハム・パイス（GGLP）は^{[ 8 ]} 、反陽子-陽子消滅過程で生成される同一電荷のパイ中間子は束ねられるが、反対電荷のパイ中間子は束ねられないことを発見した。彼らはこの効果をボーズ-アインシュタイン統計によるものと解釈した。その後^{[ 9 ]、} HBT効果もまた同一光子のボーズ-アインシュタイン相関効果であることが認識された。^{[注2 ]}

素粒子物理学におけるボーズ・アインシュタイン相関の最も一般的な理論的定式化は、古典的な電流^{[ 12 ]}とコヒーレント状態^{[ 13][14]の定式化に基づく量子統計的アプローチ[10 ] [ 11 ]}で^{あり、量子コヒーレンス、相関}長、相関時間を含みます。

1980年代以降、ボーズ・アインシュタイン相関は高エネルギー物理学において現在注目されているテーマとなり、現在ではこのテーマに特化した会議が開催されている。^{[注3 ]}この関心の理由の一つは、ボーズ・アインシュタイン相関が、素粒子源の大きさや寿命を決定する唯一の方法であるという事実である。これは、実験室で進行中のクォーク物質の探索において特に重要である。この物質相に到達するには、臨界エネルギー密度が必要となる。このエネルギー密度を測定するには、この物質が生成されたとされる火球の体積を決定する必要があり、これは源の大きさを決定することを意味する。これは強度干渉法によって達成できる。さらに、物質相とは準安定状態、すなわち、この状態を生み出した衝突の継続時間よりも長く存続する状態を意味する。これは、新しいシステムの寿命を測定する必要があることを意味し、これもまたボーズ・アインシュタイン相関によってのみ得られる。

ハドロンのボーズ・アインシュタイン相関は、強い相互作用における量子コヒーレンスの決定にも使用できます。^{[ 15 ] [ 16 ]}原子核物理学および素粒子物理学におけるボーズ・アインシュタイン相関のコヒーレンスを検出および測定することは、これらの相関がコヒーレンスの大きな混合に対してもかなり鈍感であること、この効果をシミュレートする可能性のある他の競合プロセスがあること、また実験者がデータの解釈に適切な形式を使用していないことが多いことから、非常に困難な作業でした。^{[ 17 ] [ 18 ]}

ボーズ・アインシュタイン相関のコヒーレンスに関する最も明確な証拠^{[ 19 ]}は、 UA1 -Minimum BiasコラボレーションによるCERNスーパープロトン・反プロトンシンクロトロンでの反プロトン-プロトン反応における高次相関の測定から得られています。 ^{[ 20 ]}この実験は、ボーズ・アインシュタイン相関に適用される量子統計の予測を非常に珍しい方法で検証するという特別な意義も持っています。つまり、この理論の反証を試みたものの失敗に終わったということです。^{[ 1 ]}ボーズ・アインシュタイン相関の干渉法におけるこれらの実用的な応用に加えて、量子統計的手法^{[ 10 ]}は、ボーズ・アインシュタイン相関の基本的な出発点である同一粒子の原理に関連した、全く予想外の発見的応用につながっています。