User:Winkelmesser/利用者:Winkelmesser/ハンベリー・ブラウン・トゥイス干渉計

物理学における、ハンブリー・ブラウンとトゥイスの効果 (英：Hanbury Brown and Twiss effect, HBT effect) は、2つの検出器が単一の粒子ビームから受け取る強度の相関と反相関の効果である. この効果は一般的に粒子と波動の二重性に起因するものだと考えられている. この効果を調べた実験の結果は、ビームの構成粒子がフェルミ粒子かボース粒子かに依存する. この効果を利用するデバイスは通常強度干渉計（英語版）と呼ばれており、もともと天文学で用いられていた. また、量子光学実験でも頻繁に使用されている.

歴史
1954年、ロバート・ハンブリー・ブラウンとリチャード・トゥイス（英語版）は、小さい角直径の星を観測するために、強度干渉計（英語版）の概念を電波天文学に導入した. 同時に、この干渉計は可視光において効果的だということが提案された. 彼らがこの提案のテストに成功した直後、1956年に、彼らは水銀灯の青色光を用いた実験系の室内モックアップを発表し 、その後同年に、彼らはこの技術を使ってシリウスの大きさを測定した. 後者の実験において、2つの光電子増倍管が使用された. これらは数メートル離れており、それぞれ望遠鏡で星を狙うように調整されたものである. この実験ではこれら2つの検出器の強度の相関が観測された. 電波での実験と同様に、相関は2つの検出器をメートルオーダーで離すことで低下する. 彼らはこの情報を用いて、シリウスの角直径を求めた.

この結果に対して、物理学者たちはかなり懐疑的であった. 電波天文学上の結果はマクスウェル方程式によって正当化されたが、この効果は観測するビームが光波長になると壊れる可能性が懸念されていた. なぜなら、入射光が、検出器に離散的な光電子を生み出す程度の、比較的少ない光子数の状態となるためである. 多くの物理学者が相関が熱力学法則と一貫しないことを懸念していた. この効果は不確定性原理を破っているという主張もあった. ハンブリー・ブラウンとトゥイスはこの紛争を複数の論文で解決した（下記の参考文献を参照されたい）：第一に、量子光学における波の透過率は、マクスウェル方程式から導出した場合と比較すると、検出器における量子化によるノイズ項を除いて、数学的に等しいことが示された. また第二に、マクスウェル方程式からも、強度干渉計が問題なく動作することが示された. さらにエドワード・ミルズ・パーセルなどの他の物理学者も、ボース粒子がこのような相関を持つことはすでに知られている統計力学の現象のしるしだとして、この技術を支持した. 多くの実験の後、物理学者たちはこの効果が実在すると合意した.

最初の実験では2つのボーズ粒子が2つの離れた検出器に同時に到着する傾向を利用したものである. モーガンとマンデルは熱光子源で弱い光子ビームを作り、複数の光子が単一の検出器に同時に到着する傾向を観測した. これらの実験は、光の到着時間の相関を、光の波動性によって観察したものである―もし単一光子ビームがビームスプリッターで2つのビームに分離された場合、光の粒子性から光子は単一の検出器でのみ観測されるため、反相関が検出される. これは実際に1977年にハリー・キンブル（英語版）によって観測された. 最後に、ボース粒子は凝集する傾向を持ち、ボース＝アインシュタイン相関（英語版）を生じる. 一方で、フェルミ粒子はパウリの排他原理から粒子が離れる傾向を持ち、フェルミ＝ディラック（反）相関が生じる. ボース＝アインシュタイン相関はパイ中間子、K中間子、光子の間で観測されている. また、フェルミ＝ディラック（反）相関は陽子、中性子、電子において観測されている. この分野の概略は、リチャード・ヴァイナー（英語版）のボース＝アインシュタイン相関の教科書を参照されたい. HBT効果の「トラップと自由落下」のアナロジーにおけるボース＝アインシュタイン凝縮の斥力の違いが比較に影響する.

Also, in the field of particle physics, Gerson Goldhaber et al. performed an experiment in 1959 in Berkeley and found an unexpected angular correlation among identical pions, discovering the ρ0 resonance, by means of $$\rho^0 \to \pi^-\pi^+$$ decay. From then on, the HBT technique started to be used by the heavy-ion community to determine the space–time dimensions of the particle emission source for heavy-ion collisions. For developments in this field up to 2005, see for example this review article.

参考文献

 * – paper which (incorrectly) disputed the existence of the Hanbury Brown and Twiss effect
 * – experimental demonstration of the effect
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 * – the cavity-QED equivalent for Kimble & Mandel's free-space demonstration of photon antibunching in resonance fluorescence
 * – the cavity-QED equivalent for Kimble & Mandel's free-space demonstration of photon antibunching in resonance fluorescence
 * – the cavity-QED equivalent for Kimble & Mandel's free-space demonstration of photon antibunching in resonance fluorescence