Гравитационно связанные квантовые состояния нейтронов

2.2. Обнаружение основного квантового состояния 47.

2.3. Измерение параметров нижних квантовых состояний 61.

2.4. Измерения с позиционно-чувствительными детекторами 85.

2.5.

Заключение

90.

ГЛАВА 3. Перспективы развития эксперимента 92.

3.1.

Введение

92.

3.2. Возможность длительного удержания УХН на зеркальных траекториях I00.

3.3. Резонансные переходы между квантовыми состояниями 10?

3.4.

Заключение

119.

ГЛАВА 4. Применение гравитационно связанных квантовых состояний нейтронов в разных областях физики 1%0.

4.1.

Введение

120.

4.2. Ограничение на дополнительные коротко-действующие силы 12.2.

4.3. Ограничение на спин-зависящие коротко-действующие силы 12Б.

4.4. Ограничение на электрический заряд нейтрона 134.

4.5. Квантовые «revivals» 133.

4.6. Ограничение на логарифмический член в уравнении Шредингера.

4.7. Потеря квантово-механической когерентности 143.

4.8. Извлечение УХН из 4Не источника и нейтронно-плотные клапаны ловушек УХН 145.

4.9. Другие обсуждаемые в литературе применения 148.

4.10.

Заключение

140.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

150.

ЛИТЕРАТУРА

154.

Гравитационно связанные квантовые состояния нейтронов возникают в потенциальной яме, образованной гравитационным поле Земли (верхняя её стенка) и горизонтальным зеркалом (нижняя её стенка). Классическим аналогом этого явления является упругое отражение нейтронов от идеального горизонтального зеркала в гравитационном поле, с последующим многократным возвратом на поверхность зеркала по параболическим траекториям. Условие перехода от квантового поведения нейтронов к классическому в такой системе определяется соотношением между шириной квантового состояния (обратным временем жизни нейтрона в квантовом состоянии) и разницей энергии этого квантового состояния и ближайшего соседнего. Нижние квантовые состояния могут быть разрешены экспериментально при определённых условиях, в то время как нейтроны больших энергий (скоростей) образуют сплошной классический континиум.

В общем случае, если поместить материальный объект в достаточно широкую и глубокую для него потенциальную яму, то естественно ожидать, что он будет там находиться в связанных квантовых состояниях независимо от природы этого потенциала. Хорошо известны примеры квантовых состояний материи в электромагнитном и ядерном полях. Так, квантовые состояния электронов в электромагнитном поле отвечают за структуру атомов [1], а квантовые состояния нуклонов в ядерном поле — за структуру атомных ядер [2]. Квантование уровней энергии необходимо учитывать, например, при описании движения левитирующих электронов над поверхностью сверхтекучего гелия в прижимающем внешнем электрическом поле. Аналогичные квантовые состояния должны существовать и для гравитационно связанной материальной частицы. Однако, квантовые состояния материи в гравитационном поле наблюдать гораздо сложнее, потому что оно много слабее электромагнитного и ядерного полей, которые могут их исказить или даже полностью уничтожить. Казалось бы, с формальной точки зрения, квантовое движение частицы с массой т в гравитационном поле Земли с ускорением свободного падения g над идеальным зеркалом представляет из себя хорошо известную квантово-механическую задачу, допускающую аналитическое решение с использованием специальных функций Эйри. Общее решение соответствующего уравнения Шрёдингера с треугольным потенциалом (линейным по гравитационному полю) было найдено с двадцатых годах прошлого века [3] и опубликовано во многих учебниках по квантовой механике [4−9]. Однако, в течение длительного времени эта задача рассматривалась только как хорошее упражнение по квантовой механике. Так, гравитационные квантовые эффекты пренебрежимы для макроскопических объектов, а электромагнитное взаимодействие преобладает для электрически заряженной системы или частицы. Требовалось реализовать такие экспериментальные условия, при которых все взаимодействия другой природы не мешали бы измерению. В работе [10. 11] в качестве пробной частицы для такого эксперимента обсуждались ультрахолодные нейтроны (УХН). Практическое применение такой методики позднее анализировалось в работе [12]. И действительно, УХН [13−16] являются уникальным объектом: они электрически нейтральныих собственное время жизни достаточно велико, что — в соответствии с соотношением неопределённостей — позволяет обеспечить необходимое высокое энергетическое разрешениемалая масса нейтронов способствует наблюдению квантовых эффектов, так как приводит к большой неопределённости их положения в пространствевзаимодействие нейтронов с зеркалом термодинамически неравновесно, что позволяет проводить эксперименты с УХН, энергия которых на много порядков величины меньше энергии тепловых флуктуаций поверхности зеркала. Очевидно, относительно слабое гравитационное поле Земли может быть использовано в лабораторных условиях для создания только одной из стенок потенциальной ямы. Другой стенкой служит горизонтальное зеркало, которое, как будет показано ниже, в масштабе рассматриваемой задачи представляет собой бесконечно резкий и высокий потенциальный барьер, так что его параметры не влияют ни на значения энергий нейтронов в связанных состояниях, ни на вид соответствующих волновых функций. Свойства и параметры гравитационно связанных квантовых состояний нейтронов над идеальным зеркалом [10−12, 17−28] рассмотрены подробно во введении.

Исследуемое явление в классическом описании заключается в том, что помещённый над горизонтально расположенной зеркальной поверхностью свободный нейтрон многократно от неё отражается и снова падает на неё под действием гравитационного поля. Или: отражённая от зеркала нейтронная волна интерферирует с падающей на него нейтронной волной. При этом перемещение нейтрона по вертикали не непрерывно, как в классической механике, а подчиняется законам квантовой механики: энергия может принимать только определённые значения, а волновая функция образует стоячую волну, квадрат амплитуды которой даёт вероятность найти нейтрон на некоторой высоте над поверхностью зеркала, как показано на рисунке 1. Квантовое движение объектов в гравитационном поле похоже, в некотором смысле, на кино: нам только кажется, что предмет на экране движется непрерывно, потому что человеческий глаз не успевает разрешить столь быструю смену кадровв действительности же прибор с достаточным разрешением установит дискретный характер движения.

Обычно волновую функцию частицы в квантовом состоянии в прямоугольной потенциальной яме иллюстрируют при помощи вибрирующей музыкальной струны. В этом случае, граничные условия должны быть строго соблюдены: как амплитуды волновых функций частицы, так и амплитуды смещения струны равны нулю на концах. В противоположность случаю прямоугольной потенциальной ямы, гравитационный потенциальный барьер несимметричен: в то время как отражающее зеркало (при условии полного внутреннего отражения нейтронов) соответствует бесконечно резкой и высокой потенциальной ступеньке, гравитационный барьер гораздо «мягче». В результате гравитационная стенка потенциальной ямы отодвигается дальше от зеркала с ростом энергии вертикального движения нейтронов (т.е. с ростом порядкового номера квантового состояния). Следовательно, как видно из рисунка 1, волновые функции нейтронов деформируются («выпячиваются») вверх, а разница энергий между соседними квантовыми состояниями соответственно уменьшается с ростом квантового числа (1). Точные аналитические решения будут представлены и проанализированы в конце введения, а сейчас просто приведём численные результаты. Энергии 4 нижних квантовых состояний равны соответственно:

Ех «ЛпэВ, Е2 «2.46пэВ, Еъ *3.32пэВ, Еа «4МпэВ (1).

ЫэВ = Ю~ПэВ).

Для того чтобы получить наглядное представление о таком масштабе энергий, отметим, что классическая энергия, соответствующая подъёму нейтрона в гравитационном поле Земли на высоту 10мкм (задаваемая произведением тп • ^ • 2, где тп — масса нейтрона, а г — это высота подъёма нейтрона над зеркалом) почти точно равна 1 пэВ. Таким образом, энергия Еу соответствует в классическом приближении высоте ^ «15мкм, задающей характерный пространственный размер первого квантового состояния. Такой действительно «макроскопический» масштаб квантового явления очень облегчает эксперимент по его наблюдению и изучению.

В реальном эксперименте из-за методических ограничений, обусловленных статистической точностью измерения и способом детектирования нейтронов, мы не можем приподнять нейтрон над зеркалом, отпустить его и, спустя некоторое время, измерить вероятность его нахождения в зависимости от высоты над зеркалом. Однако, мы можем выделить с помощью коллиматора из широкого начального распределения в фазовом пространстве почти горизонтальный пучок очень холодных нейтронов, падающих на поверхность зеркала под малым углом. Если все силы, действующие на нейтрон, кроме гравитации и отталкивающего потенциала горизонтального зеркала, будут устранены (например, возникающие из-за градиента магнитного поля или из-за механических вибраций зеркала), то его движение может быть разделено на два независимых: движение по вертикали и движение по горизонтали. Гравитация будет действовать только на вертикальную составляющую движения нейтронов. Перемещение нейтронов вдоль вертикальной оси и будет квантовано. Горизонтальная составляющая скорости нейтронов в нашем эксперименте была много больше вертикальной составляющей, поэтому в классическом приближении нейтроны движутся по скользящим траекториям под малым углом к зеркалу. С точки же зрения квантовой механики движение нейтрона больше похоже на перемещение со страницы на страницу в книге с толщиной страниц порядка 10мкм.

Напомним известное, более строгое теоретическое описание гравитационно связанных квантовых состояний нейтронов. Волновая функция у/{г) нейтрона в гравитационном поле Земли над зеркалом подчиняется уравнению Шредингера: = 0 (2).

2 -т ¿-г.

Идеальное горизонтальное зеркало на высоте 2 = 0 может рассмотриваться как бесконечно высокая и резкая потенциальная ступенька. Это приближение обосновано величинами характерной энергии и длины в этой системе. Энергия нейтрона в нижнем квантовом состоянии, как будет показано ниже, равна 12.

— КГ1эЯ, что много меньше, чем эффективный потенциал Ферми материала зеркала, равный ~ 10 эВ. А характерный масштаб нарастания этого.

1 г-9 потенциала составляет ~ 1 и м, что много меньше, чем длина волны нейтрона в нижнем квантовом состоянии, равной ~ 10−5 м. Этот эффективный бесконечный потенциал задаёт нулевое граничное условие для волновой функции: уфг = 0) = 0.

3).

Точные аналитические решения уравнения (2), удовлетворяющие граничному условию (3) на высоте 2 = 0 — это так называемые функции Эйри: у/(?)= СА!

Г г.

2оу.

4) где.

I й2 л-2—(5).

2-т ^ является характерным пространственным размером задачи, а С — это нормировочная константа. Для нейтрона на поверхности Земли величина равна 5.87мкм. Уравнение (3) задаёт условия квантования:

К (6) где Яп — это нули функции Эйри. Они определяют величины энергии квантовых состояний:

Еп=т^-г 0-А&bdquo-. (7).

Для 4 нижних квантовых состояний нули функции Эйри соответсвуют следующим значениям:

Лп = {2.34−4.09−5.52−6.79-.} (8) а соответствующие энергии были даны в выражении (1).

Полезно выписать приблизительное квази-классическое решение этой задачи [4−6, 9]. Известно, что оно справедливо с высокой точностью порядка процента даже для нижних квантовых состояний. В соответствии с формулой Бора.

Зоммерфельда, энергии нейтронов в квантовых состояниях Е"с (н = 1−2-3-. равны.

9-ш (? IV? ?V о, А V ч-).

Точные значения энергии Еп так же, как и значения Е%с в квазиклассическом приближении, зависят только от величин т,? и от постоянной Планка Й, но не зависят от свойств зеркала.

Простые аналитические выражения (9) для величин энергии квантового ого состояния показывают, что энергия п квантового состояния растет как с 2/3.

Е"с ~ п с ростом п. Другими словами, разница энергий между соседними квантовым уровнями уменьшается с ростом квантового числа п.

В классической механике нейтрон с энергией Еп может подняться в гравитационном поле на максимальную высоту: гп=Еп!(т-ё). (10).

В квантовой механике вероятность обнаружения нейтрона в пом квантовом состоянии с энергией Еп на высоте г равна квадрату модуля его волновой функции в этом квантовом состоянии. Для 4 нижних квантовых состояний зависимость вероятности обнаружения нейтрона [^(г)] от высоты г над зеркалом представлена на рисунке ! (см. [4−8. ?7−18]). Квадрат волновой функции чистого квантового состояния с номером п, задающий вероятность обнаружения нейтрона на определённой высоте, имеет п максимумов и (п — 1) минимумов между ними с нулевыми значениями в минимумах, и с ассимптотически приближающимися к нулю значениями на концах. Вероятность варьируется по высоте и однородна в горизонтальной плоскости. Формально эти функции отличны от нуля на любой высоте г>0. Однако, как только высота 2 ого превышает некоторое критическое значение, характерное для каждого п квантового состояния и приблизительно равное высоте классической точке поворота нейтрона в этом квантовом состоянии, так вероятность обнаружения нейтрона начинает экспоненциально стремиться к нулю. Для 4 нижних квантовых состояний значения классических точек поворота равны: {13.7−24.0−32.4−39.9-.}лши.

И).

Ассимптотические выражения для нейтронных волновых функций Ц/п{2) на большой высоте [6, 9] в классически запрещённой области равны:

— 3/2.

12) где —> оо, Сп — это нормировочные константы, а.

— V 03).

По достижении высоты гп нейтронная волновая функция начинает экспоненциально стремиться к нулю с ростом высоты.

Перечислим некоторые основные свойства УХН, важные для проведения представленных в настоящей диссертации экспериментов. Большой общий интерес к УХН в фундаментальной физике — например, для поиска ненулевого электрического дипольного момента нейтрона [29−30], измерения времени жизни свободного нейтрона [31−36], проверки электро-нейтральности нейтрона [37] и т. д. — связан с уникальным свойством достаточно медленных нейтронов — их полным отражением от поверхности, благодаря которому возможно длительное удержание УХН в закрытых сосудах в течение времени, сравнимого со временем их жизни до ?3 -распада, которое составляет ~ 15мин. Вероятность потерь УХН в стенках может быть получена заметно меньше вероятности их /? -распада. Такое длительное удержание позволяет проводить прецизионные или очень чувствительные измерения как свойств нейтронов, так и их взаимодействий с веществом и полями. Отражение УХН, как правило, строго упругое, и из-за этого термодинамическое равновесие между ними и зеркалом (ловушкой) не успевает установиться за время их наблюдения. Это свойство.

10 обусловлено тем, что длина волны УХН ~1 (ГА на два порядка величины превышает характерное межатомное расстояние в материале отражающей среды. Поэтому УХН отражаются от, по сути дела, почти неподвижного потенциала, возникающего вследствие усреднения взаимодействия с огромным количеством ядер. Кстати, наиболее прецизионной проверкой степени упругости отражения УХН служит, как было показано в работе [38], эксперимент, представленный в этой диссертации. Энергия вертикального движения нейтронов в нижнем квантовом состоянии в гравитационном поле Земли соответствовала бы при термодинамическом равновесии температуре ~ 20нК, что много меньше температуры экспериментальной установки. Вероятность же нагрева УХН при соударении с поверхностью всё-таки отлична от нуля и составляет обычно.

10 -10 на удар, как было показано в работе [39] и в последующих экспериментах. Энергия нагретых таким образом нейтронов в ловушке при комнатной температуре обычно порядка энергии тепловых колебаний.

2 —1.

10 —10 эВ. Недавно был обнаружен ещё один удивительный механизм их потерь, обусловленный их малым нагревом [40−44] - процессом, сопровождаемым средним приращением энергии всего на ~ 10 эВ, что на много порядков величины меньше энергии обычного теплового нагрева, но на много порядков величины больше, в свою очередь, характерной энергии гравитационно связанных квантовых состояний нейтронов. В любом случае, неупругое отражение как первого, так и второго типа приводит, как правило, к потере нейтрона, а не к переходам между нижними квантовыми состояниями. В современных источниках [15-! 6] УХН являются чрезвычайно малой начальной долей гораздо более широкого спектра нейтронов, поэтому эксперименты с УХН проводятся только на высокопоточных реакторах. Так, и гравитационно связанные квантовые состояния нейтронов были впервые обнаружены и исследовались в серии экспериментов [17−20], проведённых на источнике УХН высокопоточного реактора Института Лауэ-Ланжевена в Гренобле [45] с использованием гравитационного спектрометра [21]. Подробные обсуждения, аналитические решения, родственные явления нейтронной оптики, а также альтернативные или дополнительные методы проведения экспериментов с гравитационно связанными квантовыми состояниями частиц, могут быть найдены в работах [46−55, 15−16].

Актуальность проведённого исследования определялась, с одной стороны, тем, что до проведения представленных в этой работе экспериментов гравитационные состояния материи в гравитационном поле никогда не были наблюдены экспериментально. С другой стороны, накопленные за последние десятилетия знания и технологии в области физики УХН позволяли сделать прорыв в несколько порядков величины в чувствительности и энергетическом разрешении прецизионной гравитационной спектрометрии УХН. Наконец, такое увеличение энергетического разрешения и чувствительности, а также сам факт использования гравитационно связанных квантовых состояний нейтронов, были чрезвычайно востребованы, поскольку открывали уникальные возможности для широко круга экспериментальных исследований в различных областях физики, начиная от физики фундаментальных полей и взаимодействий, основ квантовой механики систем с гравитационной связью, и кончая физикой поверхности и методическими применениями.

Основная цель диссертации состоит в разработке и создании однокомпонентного гравитационного спектрометра УХН рекордного энергетического разрешенияв измерении параметров такого спектрометрав разработке и анализе методов экспериментального наблюдения гравитационно связанных квантовых состояний нейтронов при помощи этого спектрометрав наблюдении и изучении гравитационно связанных квантовых состоянийв анализе и устранении возможных систематических эффектов в этих экспериментахв экспериментальном и теоретическом анализе возможности дальнейшего прогресса чувствительности и энергетического разрешения спектрометра, а также в точности измерения параметров гравитационно связанных квантовых состояний нейтроновнаконец, в предварительном анализе возможностей применения спектрометра и самого рассматриваемого явления в различных областях физики.

Структура диссертации построена следующим образом.

Во введении представлено теоретическое квантово-механическое описание простейшего случая невозмущённых гравитационно связанных квантовых состояний нейтронов над идеальным бесконечным зеркалом, в отсутствии каких-либо дополнительных взаимодействий и дополнительных элементов экспериментальной установки (как, например, рассеиватель, необходимый для проведения реального эксперимента).

В первой главе представлены принцип действия и основные параметры спектрометра, а также два основные метода, использованные для наблюдения и изучения квантовых состоний нейтронов в спектрометре. Первый, так называемый интегральный проточный метод заключается в измерении.

12 нейтронного потока сквозь узкий зазор между горизонтально расположенным зеркалом и рассеивателем/поглотителем над ним, при помощи которого измеряется зависимость вероятности обнаружения нейтрона от высоты над зеркалом. Для адекватного анализа результатов эксперимента рассматривается теоретическая модель туннелирования нейтронов сквозь гравитационный потенциальный барьер, разделяющий классически разрешённую для нейтронов область и рассеиватель, при помощи которого анализируется спектр энергий УХН, соответствующий их вертикальному движению. Второй, более деликатный, так называемый дифференциальный метод наблюдения и изучения квантовых состояний основан на применении специально разработанных для этой задачи позиционно-чувствительных детекторов нейтронов очень высокого пространственного разрешения.

Основные экспериментальные результаты представлены во второй главе настоящей диссертации. Первый из представленных экспериментов был проведён с использованием интегрального проточного метода. Он позволил нам впервые обнаружить дискретное поведение потока нейтронов над зеркалом, и тем самым сделать заключение о существовании гравитационно связанных квантовых состояний нейтронов, соответствующих их вертикальному движению в зазоре. Поскольку целью этого эксперимента являлось наблюдение самого рассматриваемого явления, усилия были сосредоточены на наблюдении одного нижнего квантового состоянияи анализировались только те систематические эффекты, которые могли бы повлиять на вывод о самом факте наблюдения нижнего квантового состояния. Второй эксперимент использовал аналогичный метод измерения, но параметры спектрометра были существенно улучшены, статистика эксперимента значительно увеличена, а возможные систематические эффекты анализировались в деталях экспериментально и теоретически. Этот эксперимент подтвердил наличие самого явления, а также позволил идентифицировать первое «возбуждённое» квантовое состояние, что много сложнее, чем наблюдение основного нижнего квантового состояния. Наконец, эксперименты со специально предложенными и разработанными для этой задачи позиционно-чувствительными детекторами УХН рекордного пространственного разрешения показали возможность наблюдения гравитационно-связанных квантовых состояний нейтронов также и с использованием дифференциального метода.

Перспективы увеличения точности рассмотрены в третьей главе. Особое внимание уделено возможности экспериментального измерения резонансных в переходов между гравитационно связанными квантовыми состояними нейтронов, что может кардинально увеличить точность. Принципиальным параметром, определяющим возможность экспериментов такого рода является время хранения нейтронов в квантовых состояниях, зависящее от степени зеркальности отражения УХН от зеркал, которая и была измерена для одного из наиболее вероятных материалов для изготовления ловушки УХН: полированного монокристаллического сапфира. Квантовые же переходы могут быть индуцированы различными типами взаимодействий: сильным ядерным взаимодействием (за счёт механических осцилляций нижнего зеркала с частотой, соответствующей разнице энергий между квантовыми состояниями) — магнитным полем (используется магнитный момент нейтрона), и, возможно, даже гравитационым взаимодействием (за счёт осциляции тестовой массы вблизи экспериментальной установки). Одновременное использование двух методов возбуждения квантового перехода (например, интенсивный магнитный переход плюс слабый переход за счёт гравитационного поля) и наблюдение интерференции между амплитудами этих переходов значительно увеличивают чувствительность к наблюдению более слабого из переходов. Если бы у нейтрона был небольшой ненулевой электрический зарад, то переходы между квантовыми состояниями можно было вызвать осцилляцией электрического поля — такой метод может быть использован для улучшения верхнего предела на оценку электрической нейтральности нейтрона.

Область применения гравитационно связанных состояний нейтронов и методов, развитых в рамках этой экспериментальной программы, быстро развивается и охватывает широкий диапазон направлений. Поэтому обзор, представленный в четвёртой главе настоящей работы, отражает лишь круг интересов и компетенции автора и не претендует на полноту. Так, рассмотрена возможность применения этого явления в физике элементарных частиц для поиска спин-независимых и спин-зависимых дополнительных фундаментальных короткодействующих взаимодействий, экзотических частиц, для экспериментальной проверки электрической нейтральности нейтронадля измерения интерференции квантовых состоянийдля проверки расширений квантовой механики, связанных с взаимодействием квантовой системы с гравитационным полембудут перечислены такие методические применения гравитационно связанных квантовых состояний нейтронов и самого спектрометра, как исследование поверхностных плёноксоздание квантового нейтронно-плотного клапана, в частности, для экспериментов по измерению времени жизни нейтрона, эффективная транспортировка нейтронов, в частности селективное по углу извлечение нейтронов из источников УХН и из ловушек без существенной потери плотности УХН в ловушках.

Основные результаты диссертации, выносимые на защиту, перечислены в заключении.

Новизна диссертации состоит в создании гравитационного спектрометра УХН, способного производить измерения в ранее недоступной для эксперимента области энергийв первом экспериментальном измерении квантовых состояний материи (нейтронов) в гравитационном полев первом измерении туннелирования нейтронов сквозь гравитационный потенциальный барьерв создании позиционно-чувствительных детекторов УХН рекордного пространственного разрешенияв первом обосновании возможности осуществления резонансных переходов между гравитационно-связанными квантовыми состояниями нейтроновв обосновании возможности создания зеркальных нейтроноводов УХН в предложении целого ряда экспериментальных методов, основанных на использовании созданного гравитационного спектрометра и самого явления квантовых состояний нейтронов в гравитационном поле.

Результаты диссертации докладывались на следующих коллоквиумах, конференциях и семинарах: семинар ILL, Grenoble, France (1996) — семинар ОИЯИ, Дубна (1996) — коллоквиум ЛНИ/ОИЯИ, Дубна (1996) — workshop on Particle Physics with Slow Neutrons, Grenoble, France (1998) — workshop ISINN-8, Dubna, Russia (2000) — Millenium Symposium, Grenoble, France (2001) — Sandanski-2 Meeting, Sandanski, Bulgary (2001) — семинар Saclay/IN2P3, France (2002) — семинар Orsay/CSNSM, France (2002) — семинар ISN, Grenoble, France (2002) — 3rd Workshop on Low Temperature Physics in Microgravity Environment, Chernogolovka, Russia (2002) — коллоквиум Fermi Laboratory, Batavia, USA (2002) — семинар ИТЭФ, Москва (2002) — семинар ЛФВЭ/ОИЯИ, Дубна (2002) — семинар ПИЯФ, Гатчина.

2002) — Научная сессия Отделения Физики РАН, ФИАН, Москва (2002) — семинар ФЭИ, Петербург (2002) — коллоквиум Fermi Institute, University of Chicago, USA.

2003) — коллоквиум Argonne National Laboratory, USA (2003) — семинар ITP, Lausanne, Switzeland (2003) — семинар College de France, Paris (2003) — 3rd European Conference on Neutron Scattering, Montpellier, France (2003) — коллоквиум Los Alamos National Laboratory (2003) — семинар California Institute of Technology, Los Angeles (2003) — workshop ISINN-11, Dubna, Russia (2003) — семинар Technical University of Munich, Germany (2003) — семинар Lyon Observatory, France (2003) — семинар ILL, Grenoble, France (2003) — коллоквиум Cornell University, USA (2003) — коллоквиум Rochester University, USA (2003) — коллоквиум Syracuse University, USA (2003) — семинар Rhode Island University, USA (2003) — семинар ИЯИ, Москва (2003) — Научная сессия Отделения Физики РАН, ФИАН, Москва (2003) — семинар ПИЯФ, Гатчина (2003) — Journees de Prospective de la Colle sur Loup, la Colle sur Loup, France (2004) — конференция Precision Measurements with Slow Neutrons, Washington, USA (2004) — workshop ILL/IN2P3/DAPHNIA, Grenoble, France (2004) — workshop ISINN-12, Dubna, Russia (2004) — workshop QUARKS-2004, Pushkin Hills, Russia (2004) — workshop JDN-12, Praz-sur-Arly, France (2004) — семинар IPN, Orsay, France (2004) — семинар IPN, Saclay, France (2004) — семинар Laboratoire Kastler Brossel, Paris, France (2004) — семинар PSI, Villingen, Switzeland (2004) — workshop PANIC-2005, USA (2005) — коллоквиум CERN (2005) — workshop ISINN-13, Dubna, Russia (2005) — workshop QED-2005, Les Houches, France (2005) — workshop TPNP, Columbia, USA (2005) — семинар Technical University of Munich, Germany (2006) — семинар University of Mainz, Germany (2006) — семинар University of Heidelberg, Germany (2006) — семинар DAPHNIA, Saclay, France (2006) — семинар PSI, Switzeland (2006) — workshop XLI Recontres de Moriond — 2006, La Thuile, Italy (2006) — семинар GANIL-LPC, Caen, France (2006) — семинар ILL, Grenoble, France (2006) — семинар University of Geneva, Switzeland (2006) — workshop CEWQO-2006, Vienna, Austria (2006) — workshop QUARKS-2006, Repino, Russia (2006) — workshop ISINN-14, Dubna, Russia (2006) — workshop ESA, Arcetri/Firenze, Italy. Результаты, представленные в диссертации, были награждены как: лучшая работа в мире в 2002 году по физике Hendrik de Waard Lectute (Groeningen) — Зая работа в мире по физике Академией Наук Китаялучшая работа ОИЯИ (Дубна) в 2003 году. z, ¡-лт 50.

Neutron beam.

20 10 I g I.

V2OO t T.

Bottom mirror.

Рисунок I. Зависимости от высоты г квадратов волновых функций, 2/ л ых нейтронов у/п (г) в п гравитационно связанных квантовых состояниях, соответствующих вероятностям обнаружения нейтронов на этих высотах над зеркалом. Вертикальная ось г показывает характерный масштаб рассматриваемого явления.

Основные результаты диссертации, выносимые на защиту:

1. Создан однокомпонентный гравитационный спектрометр нейтронов рекордной чувствительности и энергетического разрешения. Принцип его действия, характерные параметры и экспериментальное изучение его характеристик представлены в работах [12, 17−25, 27, 28]. Типичный диапазон начальных энергий, соответствующих вертикальному движению нейтронов в спектрометре, составляет 10 —10 э2? (1−100лэВ), а энергетическое разрешение 10~14 — ~^эВ (10 — 100фэВ). Эти величины следует сравнивать с типичными параметрами гравитационных спектрометров полной энергии.

УХН, использующих хранение УХН в ловушках (диапазон начальных энергий.

8 —7 —9 —8.

10 —10 эВ, и энергетическое разрешение 10 —10 эВ), а также с типичными параметрами гравитационных однокомпонентных спектрометров УХН (начальные энергии, а энергетическое разрешение.

Ю-10 -10−8аВ).

2. Предложены и разработаны интегральный и дифференциальный методы обнаружения и исследования гравитационно связанных квантовых состояний нейтронов, а также метод резонансных переходов между квантовыми состояниями для прецизионного измерения энергий квантовых состояний. Первый метод заключается в сканировании нейтронной плотности по высоте с использованием рассеивателя с макроскопически плоской и микроскопически шероховатой поверхностью, с характерным размером шероховатостей один или несколько микрометров. Второй способ заключается в прямом измерении зависимости нейтронной плотности от высоты при помощи позиционно-чувствительных детекторов.

3. Впервые экспериментально обнаружены гравитационно связанные квантовые состояния нейтронов при помощи разработанного спектрометра в интегральном режиме измерения. Эксперимент заключался в измерении их пропускания сквозь узкий горизонтальный зазор между зеркалом снизу и рассеивателем над ним. Первый эксперимент позволил ясно обнаружить нижнее квантовое состояние в этой системе [17−19]. Позже, с улучшенными разрешением спектрометра по высоте (энергии) и большей статистикой, были измерены характеристические высоты основного и первого возбуждённого квантового состояния [20]. Полученные значения 2|6хр =12.2 + 1.8^ ±-0.7 $шмкм и = 21.6 + 2.2^ ± 0.1мкм согласуются с ожидаемыми величинами 13.7мкм и 2= 1А.0мкм. Многочисленные контрольные эксперименты позволили исключить наличие систематических эффектов, способных повлиять на интерпретацию полученных результатов. Эти эксперименты явились первым наблюдением квантовых состояний материи в гравитационном поле и, тем самым, доказали универсальность квантового поведения материи в фундаментальных полях различной природы.

4. Предложены и разработаны специально для этой задачи позиционно-чувствительные детекторы УХН рекордного пространственного разрешения ~ 1 мкм [21], позволяющие прямое измерение пространственного распределения плотности в стоячей нейтронной волне при помощи так называемого дифференциального метода. Дифференциальный метод гораздо точнее статистически, чем интегральный метод. Более того, рассеиватель, используемый в интегральном методе, неизбежно искажает изучаемые квантовые состоянияконечная точность поправок на эти возмущения и ограничивает, по сути дела, достижимую точность измерения параметров квантовых состояний. Возможность использования дифференциального метода была продемонстрирована в работах [20, 24].

5. Показано, что процесс потери нейтронов из квантового состояния в рассеивателе может быть очень точно описан с использованием модели их туннелирования сквозь гравитационный барьер, разделяющий диапазон классически разрешённых высот и высоту рассеивателя [20]. Аналогичное явление туннелирования нейтронов под гравитационный барьер наблюдается в эксперименте с позиционно-чувствительными детекторами в проточном режиме. Дальнейший прогресс в этом эксперименте при использовании проточного метода измерения ограничен в значительной мере фундаментальным фактором: конечной резкостью зависимости от высоты вероятности туннелирования нейтрона сквозь гравитационный барьер. Тем не менее, при помощи более надёжного и точного теоретического описания [27−28] и улучшения точности абсолютной калибровки расстояний [58], можно надеяться достичь уровня.

151 точности в несколько процентов в определении параметров квантовых состояний. С другой стороны работы, представленные в настоящей диссертации, явились первым наблюдением туннелирования частицы сквозь гравитационный барьер.

6. Показано, что явление квантовых состояний нейтронов в гравитационном поле можно использовать для разнообразных исследований и применений в фундаментальной и прикладной физике [26]. Апиори это очень чистая система, в которой как энергии квантовых состояний, так и волновые функции определяются только взаимодействием нейтронов с гравитационным полем. Так, этот эксперимент может представлять интерес для ограничений на дополнительные короткодействующие взаимодействия [61, 92−93]- для поиска аксиона — гипотетической частицы, нарушающей сильным образом СР-инвариантностьдля проверки электрической нейтральности нейтрона [26]- для изучения основ квантовой механики, как, например, для явления «revivais» в гравитационном поле [26, 62]- для проверки различных расширений квантовой механики, в частности из-за дополнительного логарифмического члена в уравнении Шредингера в определённом классе моделей [38]- для ограничений на фундаментальную потерю квантовой когерентности в системах с гравитационным взамодействием [66, 26]- извлечения УХН из 4 Не источников без потери плотности УХН в источнике, для создания нейтронно-плотных клапанов ловушек УХН, или для транспортировки нейтронов без потерь по зеркальным нейтроноводам [165−166].

7. Экспериментально ([165−166], заявка на Европейский патент FBI 6384 на нейтроноводы УХН) и теоретически [26] изучена возможность постановки эксперимента по измерению резонансных переходов между квантовыми состояниями. Эти переходы могут быть индуцированы различными методами и при помощи различных взаимодействий (сильных, электромагнитных, гравитационных). На основе этого анализа начата разработка спектрометра нового поколения GRANIT, устанавливаемого в Институте Лауэ-Ланжевена.

Благодарности.

Представленная научная программа была проведена активной и целеустремлённой коллаборацией, включающей, на разных этапах, Н. Abele, S. Bae? ler, Т. А. Баранову, H.G. Borner, G. Divkovic, A.M. Гагарского, Т. М. Кузьмину, L. Lucovac, S. Nahrwold, Г. А. Петрова, А. К. Петухова, К. В. Протасова, S. Raeder, F.J. Rue?, J. Schrauwen, C.M. Соловьёва, Т. Stoferle, А, В. Стрелкова, В. Г. Тищенко, А. Ю. Воронина and A. Westphal. Автор чрезвычайно благодарен советам и помощи К. Ben-Saidane, D. Berruyer, Th. Brenner, J. Butterworth, R. Corner, F. Descamps, D. Dubbers, E. Engel, Н. П. Филатова, А. И. Франка, P. Geltenbort, В. Gerard, П. А. Гуржиянца, N. Havercamp, A. Hillairet, M. Jentschel, P. van Isaker, А. Г. Харитонова, С. Krantz, В.H. Курлова, A.J. Leadbetter, A. Lensch, В. И. Лущикова, E.B. Лычагина, J.F. Marchand, D. Mund, А. Ю. Музычка, R. Onofrio, Б. Г. Пескова, C.B. Пинаева, S. Roccia, В. А. Рубакова, R. Rusnyak, М. И. Шапочникова, И. А. Снигирёвой, A. Steyerl, E. Tomasi-Gustafson, S. Tinniswood, П. Г. Тинякова, J.P. Varini, А. А. Жданова, и M. Zimer.

Заключение

.