中性子干渉実験
2008/3/10
A4SB2068
鈴木 善明
目次







実験の目的
短距離での相互作用
量子パラメトリック共振
実験
課題
今後の予定
まとめ
実験の目的
存在の可能性が示唆される新しい相互作用の探
索。
中性子ビームは波長が短いため、これを用いた干渉実
験は非常に感度がよく、観測できるかも。
うまくいけば、余剰次元なども見えてくる可能性
がある。
短距離での相互作用
様々な実験や理論が有効範囲が非常に短
い相互作用が存在する可能性を示唆
この相互作用が実際に存在すると?
重力ポテンシャルの理論値からのずれとして
観測される可能性がある!
探索する領域
縦軸がα(相互作用の強さ)、
横軸がλ(相互作用の有効距離)
今回、主に調べようとしている領域
出典 : arXiv:0802.2350
短距離力によるポテンシャル
前述のような短距離での相互作用があると、物質に
ビームが入射するときに、有効距離と同じくらいのス
ケールで滲み出すようなポテンシャルが発生する。
量子パラメトリック共振
ビームが入射する物質にギャップがある場合を考える。
量子パラメトリック共振
ギャップ部分の短距離力によるポテンシャルは・・・
量子パラメトリック共振
このポテンシャルによって、ギャップ部分での波数が変
化する。波数は、
であるから、真空中(V=0)での波数を
k0 とすると、
となる。
量子パラメトリック共振
短距離力のポテンシャルによって、ギャップ部での中性
子波は境界面に近づくほど細かくなる。
量子パラメトリック共振
共振条件
•観測される波は正方向に進む波のみ
•正方向に進む波の位相が境界面でそろう
•波が2L進んだとき、位相変化が2πの整数倍
位相変化というのは、波数をxで積分することで求まるから、
共振条件は、
量子パラメトリック共振
実際にk(x)を代入して計算すると、
ηは非常に小さいパラメータなので、
量子パラメトリック共振
だから、
この条件を満たすことで、共振が起こる。
量子パラメトリック共振
一方この系には、短距離力によるものではない、通常の井戸
型ポテンシャルも存在する。短距離力によるポテンシャルはこ
の井戸型ポテンシャルに比べて非常に弱い。
それぞれのポテンシャルによる透過係数を
ts : 井戸型ポテンシャル
tw : 短距離力ポテンシャル
T : 全体のポテンシャル
と書くと、
量子パラメトリック共振
このような2つのポテンシャルが存在する場合、
と近似できる。 (短距離力によるポテンシャルが非常に弱
いので、|tw|2≒1)
指数関数の肩に乗っているので、積をとると位相は和に
なるので、
量子パラメトリック共振
このように、短距離力による微小なポテンシャル
は透過率には大きな影響を与えないが、位相を
変える効果がある。これによって共振が起こる中
性子波の波長がズレる。
このズレが観測できれば、短距離力の存在を
明らかにできるかも!?
参考文献 : arXiv:0709.3266 , Phys.Rev.C75,015501(2007)
実験の外観
ポテンシャルに条件を満たしたギャップがあると、位相が大
きくズレる。
実験では、実際にギャップ有りとギャップ無しではどのくら
い位相がズレるかを観測する。
ギャップ有り
カ
ウ
ン
タ
ー
ギャップ無し
エタロンによるビームスプリッター
この実験ではビームの経路を2つに分ける必要
がある。これにはエタロンを用いる。
ミラー
実際の装置
実際の装置ではエタロンを2つ組み合わせ、1つ目のエ
タロンでビームを分け、2つ目のエタロンで2つのビーム
を1つに戻して干渉させる。
ビームはVCNを使用
課題
 途中に挟むギャップはショートレンジの相互作用の有
効範囲と同じくらいのスケールでなければならないか
ら、ギャップの境界面もナノスケールで平坦化する必
要がある。
 十分なデータ量を得るためにはある程度の太さの
ビームが必要である。そのため、ビームが当たるエタ
ロンのミラー部分と、途中に入れるギャップの面積を
出来るだけ大きくしなければならない。
課題
 2つに分けたビームが影響し合わないように、2つの
経路を十分に離す必要がある。そのためには、エタロ
ンのギャップを広くとらなければならない。
今後の予定
ギャップを作るための平坦化は企業やナノテクセンターに
問い合わせ中。
来月には、理化学研究所でエタロンに用いるミラーを制作
する予定。
年内には装置を完成させ、来年から実際の実験に入りたい。
中性子の線源としては、J-PARCではVCNを利用できない
ため、ILL(Institute Laue Langevin)のResearch Reactor
の使用を予定している。
まとめ
 中性子ビームを用いた実験は非常に高感度で、
今まで到達できなかったようなスケールでの効
果を測定できるかもしれない。
 いくつか課題はあるが、成功すれば新しい物理
の発見につながる、とてもセンセーショナルな
実験である。
まとめ
修論までになんとか結果出します!!
理論、装置ともに色々と難しいことも多
いので、是非応援してやってください。
〜付録〜
中性子干渉実験
中性子ビームは物質波であるため、波長が短く、
これを用いた干渉実験は非常に感度がよい。
中性子干渉実験の代表的な例として、シリコン単
結晶の干渉計を用いて行われた、COW実験が挙
げられる。
この実験では中性子ビームの経路を2つに分け、
その干渉を見る。
中性子干渉実験
高
カ
ウ
ン
タ
ー
低
重力の強さが高さによって異なることを利用
し、干渉計を回転させて、干渉の回転依存
性を測定した。
中性子干渉実験
結果は、回転角に依存した
干渉が観測された。
これにより、重力の高さに
よるわずかな差を見ること
が出来る。
このように、中性子を用いた干渉実験は非常に小さな
効果まで測定できる、高感度な実験である。
ダウンロード

中性子干渉実験