論文の概要: Quantum decoherence of gravitational waves
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2502.18560v1
- Date: Tue, 25 Feb 2025 19:00:01 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-02-27 14:55:42.380921
- Title: Quantum decoherence of gravitational waves
- Title（参考訳）: 重力波の量子デコヒーレンス
- Authors: Hiroki Takeda, Takahiro Tanaka,
- Abstract要約: 重力の量子的性質は、実験的な検証を欠いた基礎物理学において未解決の問題のままである。
古典的なGWとグラビトンを区別するには、量子コヒーレンスを保存する必要がある。
還元密度行列を導出し、デコヒーレンスを評価することにより、GWが量子状態を維持するかどうかを検討する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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- Abstract: The quantum nature of gravity remains an open question in fundamental physics, lacking experimental verification. Gravitational waves (GWs) provide a potential avenue for detecting gravitons, the hypothetical quantum carriers of gravity. However, by analogy with quantum optics, distinguishing gravitons from classical GWs requires the preservation of quantum coherence, which may be lost due to interactions with the cosmic environment causing decoherence. We investigate whether GWs retain their quantum state by deriving the reduced density matrix and evaluating decoherence, using an environmental model where a scalar field is conformally coupled to gravity. Our results show that quantum decoherence of GWs is stronger at lower frequencies and higher reheating temperatures. We identify a model-independent amplitude threshold below which decoherence is negligible, providing a fundamental limit for directly probing the quantum nature of gravity. In the standard cosmological scenario, the low energy density of the universe at the end of inflation leads to complete decoherence at the classical amplitude level of inflationary GWs. However, for higher energy densities, decoherence is negligible within a frequency window in the range $100\ {\rm Hz} \text{-} 10^8\ {\rm Hz}$, which depends on the reheating temperature. In a kinetic-dominated scenario, the dependence on reheating temperature weakens, allowing GWs to maintain quantum coherence above $10^7\ {\rm Hz}$.
- Abstract（参考訳）: 重力の量子的性質は、実験的な検証を欠いた基礎物理学において未解決の問題のままである。
重力波(GWs)は重力の仮想量子キャリアである重力波を検出するための潜在的な経路を提供する。
しかし、量子光学の類似により、グラビトンを古典的なGWと区別するには量子コヒーレンスを保存する必要があるが、これは宇宙環境との相互作用がデコヒーレンスを引き起こすため失われる可能性がある。
我々は,スカラー場が重力に共役する環境モデルを用いて,密度行列の低減とデコヒーレンスの評価により,GWが量子状態を維持するか否かを考察した。
以上の結果から,GWsの量子デコヒーレンスは低い周波数と高い再加熱温度で強くなることが示された。
以下に、デコヒーレンスを無視できるモデル非依存の振幅閾値を特定し、重力の量子的性質を直接探索するための基本的な限界を与える。
標準宇宙論のシナリオでは、インフレーションの終了時の宇宙の低エネルギー密度は、古典的なインフレーションGWの振幅レベルにおいて完全なデコヒーレンスをもたらす。
しかし、高エネルギー密度の場合、デコヒーレンスは再加熱温度に依存する100\ {\rm Hz} \text{-} 10^8\ {\rm Hz}$の範囲の周波数窓内で無視される。
速度論的に支配されたシナリオでは、再加熱温度への依存は弱まり、GWは10^7\ {\rm Hz}$を超える量子コヒーレンスを維持することができる。
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