K. Protassov, LPSCK. Protassov, LPSC 11CPPM, 1 Octobre 2007CPPM, 1 Octobre 2007

EtatsEtats quantiquesquantiques du neutron du neutron dansdans le le champ de champ de pesanteurpesanteur

•• MotivationsMotivations•• DDéécouverte expcouverte expéérimentalerimentale•• Etat des lieuxEtat des lieux•• Perspectives Perspectives –– GRANITGRANIT

22

Quatre interactionsQuatre interactions

ElectromagnElectromagnéétiquetique

Etats liEtats liéés : atomes, mols : atomes, molééculescules

Quantum : photonQuantum : photon

ForteForte

Etats liEtats liéés : noyaux, nucls : noyaux, nuclééonsons

Quantum : gluonQuantum : gluon

FaibleFaible

Etats liEtats liéés : s : --

Quantum : W, ZQuantum : W, Z

GravitationnelleGravitationnelle

Etats liEtats liéés : ?s : ?

Quantum : ?Quantum : ?

33

"Let us consider another possibility, an atom held together by gravityalone. For exemple, we might have two neutrons in a bound state. When we calculate the Bohr radius of such an atom, we find that it would be 108 light years, and that the atomic binding energy would be 10-70 Rydbergs. There is then little hope of ever observing gravitational effects on systems which are simple enough to be calculable in quantum mechanics."

Brian Hatfield, in "Feynman Lectures on Gravitation" ;R.P. Feynman, F.B. Morinigo, W.G. Wagner, Ed. Brian Hatfield

Addison-Wesley Publishing Company, 1995, p. 11

44

HistoriqueHistorique•• La solution de lLa solution de l’é’équation de quation de ScrScröödingerdinger dans un potentiel dans un potentiel

linlinééaire a aire a ééttéé trouvtrouvéée en e en 19281928 ::G. G. BreitBreit, , PhysPhys RevRev 3232 (1928) 273(1928) 273

•• PremiPremièère expre expéérience de stockage des neutrons ultra froids a rience de stockage des neutrons ultra froids a effectueffectuéée au JINR (e au JINR (DubnaDubna) en ) en 19681968 ::V.I. V.I. LuschikovLuschikov et al., et al., JETP JETP LettLett 9 9 (1969) 40(1969) 40

•• En En 19761976, on a propos, on a proposéé àà chercher les niveaux quantiques chercher les niveaux quantiques avec des neutrons ultra froids :avec des neutrons ultra froids :V.I. V.I. LuschikovLuschikov, , PhysicsPhysics TodayToday 42 42 (1977) 51;(1977) 51;V.I. V.I. LuschikovLuschikov and A.I. Frank, and A.I. Frank, JETP JETP LettLett 28 28 (1978) 559(1978) 559

•• PremiPremièère observation des niveaux quantiques du neutron re observation des niveaux quantiques du neutron dans le champ de pesanteur a fait dans le champ de pesanteur a fait àà ILL en ILL en 19991999 : : V.V.V.NesvizhevskyV.Nesvizhevsky et al., et al., NatureNature 415415 (2002) 297;(2002) 297;PhysPhys RevRev D87D87 (2003) 102002(2003) 102002

55

Choix du systChoix du systèèmeme

Les Les éétats quantiques peuvent apparatats quantiques peuvent apparaîître pour un tre pour un neutron ultra froidsneutron ultra froids

-- une particule neutreune particule neutre-- dd’’une longue durune longue duréée de viee de vie-- dd’’une faible masseune faible masse-- dd’’une faible une faible éénergie (tempnergie (tempéérature)rature)

dans un puis formdans un puis forméé par un miroirpar un miroir-- diffusion diffusion éélastique lastique àà 99,99%99,99%-- absorption 10absorption 10--55

-- diffusion indiffusion inéélastique 10lastique 10--44

-- grande barrigrande barrièère de potentielre de potentiel

et le champ de pesanteur et le champ de pesanteur

66

Institut Laue Langevin, GrenobleInstitut Laue Langevin, GrenobleILL

ESRF

LPSC

77

Exercice de mExercice de méécanique quantiquecanique quantique

1,41

2,46

3,32

0 14 24 32 ,z mμ

,nE peV( )V z mgz=

2

30 2 5,87 m2z

gmμ= =h

2qc 3

9 18 4

⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞≈ ⋅ −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠hn

mE g nπ

88

MMééthodes dthodes d’’observationobservation

•• MMééthode intthode intéégrale (recherche dgrale (recherche d’’un un paramparamèètre avec un comportement discret)tre avec un comportement discret)

•• MMééthode diffthode difféérentielle (visualisation de la rentielle (visualisation de la fonction dfonction d’’onde onde –– «« photo photo »»))

•• Recherche des transitions entre les Recherche des transitions entre les niveaux quantiquesniveaux quantiques

99

MMééthode intthode intéégralegrale

1010

IdIdéée de e de ll’’installation :installation :

RRéésultat espsultat espéérréé(na(naïïvement) :vement) :

0Δz

N

( )2 /3qc 2/3 pour Δ Δ →∞nN E z z

1111

InstallationInstallation

ADC

DAC

Amplifier

Amplifier

Shuttercontrol

COMPUTER

11

10 98

765

4

3

2

1

1. Neutron guide2. Anti-vibration table3. Polished granite stone4. Piezo translators5. Vacuum chamber6. Mirrors and absorber7. Detector8. Anti-magnetic shielding9. Input collimator10. Neutron shutter11. Inclinometers

10 cm

1212

Premiers rPremiers réésultats (1999)sultats (1999)

On voit lOn voit l’é’état tat fondamentalfondamental

!!!!!!

1313

ProblProblèème de la rme de la réésolutionsolution•• Il existe une Il existe une

rréésolution minimale solution minimale que lque l’’on peut pas on peut pas amamééliorerliorer

•• Cette rCette réésolution est solution est directement lidirectement liéée au e au champ gravitationnel champ gravitationnel luilui--mêmemême

•• Elle est due Elle est due àà ll’’effet effet tunnel tunnel àà travers de la travers de la barribarrièère re gravitationnellegravitationnelle

exp1 syst stat12.2 1.8 0.7 mz μ= ± ±

exp2 syst stat21.3 2.2 0.7 mz μ= ± ±

qc1qc2

13.7 m

24.0 m

z

z

μ

μ

=

=

2

=0.9dofχ

32

0

( ) Exp Exp⎛ ⎞⎛ ⎞

⎛ ⎞−⎜ ⎟⎜ ⎟Δ − − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

∑ nnn

Δz z4N z = β α3 z z

( )V z

1414

PeutPeut--on voir un on voir un éétat excittat excitéé ??

Résultats préliminaires

de 2004

•• Oui, maisOui, mais……

•• Si lSi l’’onon veut veut le voir plus le voir plus

explicitement explicitement il faut il faut

chercher chercher autre autre

chosechose……

1515

«« Photo Photo »» de la fonction dde la fonction d’’ondeonde(d(déétecteur tecteur àà haute rhaute réésolution spatiale)solution spatiale)

Plastic

Uranium-235

Supermirror coatingFission

fragment

ΔX

UCNneutrons

~0.2 μm ~0.5 μm

120 mm

Picture of developed detector with tracks

15 m

m

1616

Fonctions dFonctions d’’ondeonde

0 10 20 30 40 50Z, micron

1st quantum state

0 10 20 30 40 50Z, micron

2nd quantum state

0 10 20 30 40 50Z, micron

3rd quantum state

0 10 20 30 40 50Z, micron

4th quantum state

2 ( )n zψ

1717

La premiLa premièère photore photo

Nesvizhevsky et al.,J. Phys. C40 (2005)

479

1818

La photo dLa photo d’’aujourd'huiaujourd'hui

Pour se Pour se ddéébarrasser de barrasser de

ll’é’état tat fondamentalefondamentaleil faut modifier il faut modifier

llééggèèrement notre rement notre installation :installation :

Résultats préliminaires

de 2005

1919

Applications inattenduesApplications inattendues

/1 2( ) (1 )rGm mV r G er

λα −= − +

pHe

Recherches des forces nouvelles (dimensions supplRecherches des forces nouvelles (dimensions suppléémentairesmentaires……))V.V. V.V. NesvizhevskyNesvizhevsky, K.V. , K.V. ProtasovProtasov, , Class. Quant. GravClass. Quant. Grav. . 2121 (2004) 4557(2004) 4557

Une interaction Une interaction supplsuppléémentairementaire

modifie le potentielmodifie le potentiel

0/ 2 /2( ) z zGe GU m eV zλ λδ α λπ ρ− −= − = −

Cette expérience

pHe

Casimir

α

λ

2020

Recherches de lRecherches de l’’axionaxionS. S. BaesslerBaessler, V.V. , V.V. NesvizhevskyNesvizhevsky, K.V. , K.V. ProtasovProtasov, , A.YuA.Yu. . VoroninVoronin, ,

Phys. Phys. RevRev. . D75D75 (2007) 075006(2007) 075006

Une interaction Une interaction supplsuppléémentairementaire

introduit la sintroduit la sééparationparationdes niveauxdes niveaux

/2

1 1( )8

−⋅ ⎛ ⎞= +⎜ ⎟⎝ ⎠

ur rr

h rP SnV r g g emc r r

λσπ λ

λ

PVLAS

2121

Notre collaborationNotre collaborationV. V. V. V. NesvizhevskyNesvizhevsky, A. K. , A. K. PetukhovPetukhov, H. G. , H. G. BBöörnerrner

Institut Laue-Langevin, Grenoble, FranceA. M. A. M. GagarskiGagarski, G. A. Petrov , G. A. Petrov

Petersburg Nuclear Physics Institute, Gatchina, RussiaA. V. A. V. StrelkovStrelkov

Joint Institute of Nuclear Research, Dubna, RussiaK. V. K. V. ProtasovProtasov

Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie, Grenoble, FranceA. A. YuYu. . VoroninVoronin

Lebedev Physical Institute, Moscow, RussiaS. S. BaeBaeßßlerler

University of Mainz, GermanyH. AbeleH. Abele

University of Heidelberg, GermanyA. WestphalA. Westphal

DESY, Hamburg, Germany

2222

Recherche des transitions rRecherche des transitions réésonnantes entre sonnantes entre les niveaux quantiquesles niveaux quantiques

(ANR(ANR--2005 : ILL, LPSC, LMA)2005 : ILL, LPSC, LMA)

ObjectifsObjectifs

•• Obtenir la durObtenir la duréée de vie du neutron dans un e de vie du neutron dans un éétat tat quantique de lquantique de l’’ordre dordre d’’une seconde une seconde

•• Observer les transitions rObserver les transitions réésonnantes induites par le sonnantes induites par le gradient du champ magngradient du champ magnéétiquetique

GRAvitational Neutron Induced Transitions

2323

IdIdéée de le de l’’expexpéériencerience

1. Peupler la partiebasse du spectre

2. Peupler un niveau excité par une

transition résonante

3. Transition entreles niveaux voisins

4. Détection des neutrons

Fin 2008

30 cm

100-

1000

μm

2424

ExpExpéérience avec une source localerience avec une source locale

2525

ConclusionsConclusions

•• Même si la rMême si la rééalisation technique est tralisation technique est trèès s difficiledifficile

•• La physique est trLa physique est trèès belle et s belle et ……imprimpréévisiblevisible

•• Toutes les bons idToutes les bons idéées et les collaborateurs es et les collaborateurs intintééressresséés sont bienvenuss sont bienvenus

Etats quantiques du neutron dans le champ de pesanteurQuatre interactionsHistoriqueChoix du systèmeInstitut Laue Langevin, GrenobleExercice de mécanique quantiqueMéthodes d’observationMéthode intégraleInstallationPremiers résultats (1999)Problème de la résolutionPeut-on voir un état excité ?« Photo » de la fonction d’onde�(détecteur à haute résolution spatiale) Fonctions d’ondeLa première photoLa photo d’aujourd'huiApplications inattenduesNotre collaborationRecherche des transitions résonnantes entre les niveaux quantiques�(ANR-2005 : ILL, LPSC, LMA)Idée de l’expérienceExpérience avec une source localeConclusions

/ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /CropGrayImages true /GrayImageMinResolution 300 /GrayImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1 /GrayImageMinDownsampleDepth 2 /GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /CropMonoImages true /MonoImageMinResolution 1200 /MonoImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects false /CheckCompliance [ /None ] /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false /PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile () /PDFXOutputConditionIdentifier () /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName () /PDFXTrapped /False

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