Гравитационно связанные квантовые состояния нейтронов

• Автор: Несвижевский, Валерий Викторович
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 171 с. : ил.

ГЛАВА 1. Экспериментальная установка и методы измерения
1Л Введение
1.2. Экспериментальная установка
1.3. Сканирование нейтронной плотности рассеивателем (интегральный метод)
1.4. Туннелирование нейтронов сквозь гравитационный барьер
1.5. Измерение нейтронной плотности над зеркалом при помощи позиционно- чувствительных детекторов (дифференциальный
метод)
1.6 Заключение
ГЛАВА 2. Обнаружение и исследование гравитационно связанных
квантовых состояний нейтронов
2.1. Введение
2.2. Обнаружение основного квантового состояния
2.3. Измерение параметров нижних квантовых состояний
2.4. Измерения с позиционно-чувствительными детекторами
2.5. Заключение
ГЛАВА 3. Перспективы развития эксперимента
3.1. Введение
3.2. Возможность длительного удержания УХН на зеркальных траекториях Ю0
3.3. Резонансные переходы между квантовыми состояниями
3.4. Заключение
ГЛАВА 4. Применение гравитационно связанных квантовых
состояний нейтронов в разных областях физики 1 %0
4.1. Введение
4.2. Ограничение на дополнительные коротко-действующие силы Г2Я4.3. Ограничение на спин-зависящие коротко-действующие силы
4.4. Ограничение на электрический заряд нейтрона 1Э4

4.5. Квантовые «revivals»
4.6. Ограничение на логарифмический член в уравнении
Шредингера 13S
4.7. Потеря квантово-механической когерентности
4.8. Извлечение УХН из ^ Не источника и нейтронно-плотные
клапаны ловушек УХН
4.9. Другие обсуждаемые в литературе применения
4.10. Заключение
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

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 [I], 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,

Л1а=2-УІЮГ-І^
(2.1)
где гд - это максимальная высота подъёма нейтрона в гравитационном поле, а Уког - это горизонтальная компонента скорости нейтрона.
Для использованного нейтронного спектра, если зеркало и рассеиватель
приближении) сквозь зазор, не коснувшись нижнего зеркала и/или рассеивателя при любой из использованных высот рассеивателя. Это условие позволяет оценить минимальную длину зеркала, достаточную для формирования спектра вертикальных компонент скорости. Соотношение неопределенностей задаёт даже ещё несколько меньшее значение минимальной длины зеркала, необходимой для разрешения различных квантовых состояний:
(для двух нижних квантовых состояний). Зеркало должно быть значительно длинее этих оценок (4.1.1), (4.1.2).
Мы измерили пропускание нейтронов сквозь зазор между нижним зеркалом и рассеивателем в зависимости от высоты рассеивателя. Рассеиватель был смонтирован на трёх активных пьезоэлементах. Длина каждой ножки, содержащей пьезоэлемент, могла изменяться в пределах 250мкм. Набор прецизионных двух-осных инклинометров измерял относительное перемещение рассеивателя при последовательном удлиннении/укорочении пьезоэлементов.

Нейтронный поток Ы(Аг) измерялся цилиндрическим газовым Не детектором
(2.3бар Аг, ЗОЮгг Не, Qtorr СОп, ~ 2Оси длиной и ~ 1 Лет диаметром). Входное окно (длиной 12см и высотой 1.5мм) изготовлено из аллюминиевой фольги толщиной 100 мкм. Детектор установлен внутри вакуумной камеры; поэтому он работает без электрических разрядов, только если
остаточное давление газа ниже чем — 2-10 Юг г, Аллюминиевое входное окно детектора отражает нейтроны с нормальной к поверхности окна составляющей скорости меньше 3.2м /сек, но аллюминиевые окна на выходе нейтроновода (1,
длиннее чем Юсм, нейтроны не могут проникнуть (в классическом

(2.2)