Главный научный сотрудник ЛНФ Александр Ильич Франк

УХН в нейтронной оптике

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна" N 31 (2007)

Большинство физиков, работающих с УХН, "любят" их за возможность длительного хранения в замкнутых сосудах. Нас же привлекают в основном уникальные волновые свойства УХН, весьма удобные для проведения работ по нейтронной оптике - как классической, так и квантовой. Дело в том, что УХН отличаются весьма большой длиной волны, вполне сравнимой с длиной волны видимого света. Кроме того, энергия УХН очень мала и ее характерное значение составляет порядка 10^-7 электрон-вольт. Поэтому вполне возможно осуществлять эксперименты, в которых энергия нейтрона изменяется на очень малые величины, совершенно непривычные в нейтронной физике, не говоря уже о физике высоких энергий.

Методика, которую мы развиваем, основана на использовании устройства, аналогичного известному в обычной оптике интерферометру Фабри - Перро. Идея такого устройства, по-видимому, пришла в голову многим в 1970-х годах, но именно наша группа развила методику его применения в физических экспериментах.

Это удивительное устройство, основанное на квантовых принципах, позволяет выделить из широкого спектра УХН очень узкую линию. А спектрометр с такими интерферометрами позволяет изучать достаточно тонкие эффекты, приводящие, например, к изменению энергии нейтрона на уровне 10^-11 эВ.

Как правило, подготовка наших экспериментов ведется в Дубне, экспериментальная установка также создается в основном здесь, а собственно эксперименты мы проводим в Институте Лауэ-Ланжевена (Гренобль, Франция) поскольку в России сейчас нет источников ультрахолодных нейтронов (УХН). Это факт печальный и даже постыдный, ведь УХН были открыты в Дубне, и их физика в значительной степени была развита в России. Тем не менее, единственный сегодня источник УХН находится в Гренобле. Замечу, что в мире сейчас ведется строительство еще нескольких очень интенсивных источников УХН.

Но вернемся к нашим работам. Методика спектрометрии УХН с интерферометрами Фабри - Перро недавно позволила нам наблюдать интересный эффект. В 1990-х было понято, что, если пропустить нейтрон через движущуюся периодическую структуру (дифракционную решетку), пересекающую направление его движения, то возникнет состояние с дискретным спектром. Это явление имеет очень простое физическое объяснение.

Дело в том, что волна, прошедшая через движущуюся решетку, оказывается периодически промодулированной по времени. Однако хорошо известно, что модуляция изначально монохроматической волны приводит к появлению в ее частотном спектре линий-сателлитов, сдвинутых относительно исходной линии на частоту модуляции, или на величину, кратную этой частоте. В результате возникает дискретный спектр частот. Поскольку энергия частицы пропорциональна частоте волновой функции, то энергетический спектр нейтронов также оказывается дискретным, то есть квантованным. В этом спектре появляются нейтроны с энергиями, которых до этого не было. Таким образом, появляется возможность ускорять и замедлять частицы.

Наша группа предсказала этот эффект, в 2000 году впервые его наблюдала, и позже начала активно использовать. Мы показали, что такой метод ускорения и замедления нейтронов позволяет осуществить нечто вроде временной линзы, фокусирующей нейтроны во времени. Возможность создания такой линзы мы продемонстрировали в эксперименте. Можно думать о применении эффекта временной фокусировки УХН в импульсных источниках УХН но пока эти предложения не реализованы.

Совсем недавно мы осознали, что эффект квантования нейтронов на движущейся решетке можно использовать в прецизионных экспериментах и для решения других задач. В частности, квант энергии Е = h мы можем сравнить с энергией, которую приобретет нейтрон, падая в гравитационном поле Земли. Возникла идея использовать это явление для фундаментального эксперимента по проверке так называемого слабого принципа эквивалентности, составляющего одну из аксиоматических основ общей теории относительности. Суть его заключается в независимости ускорения свободного падения от массы тела.

В эксперименте 2006 года, который мы расцениваем как тестовый, получена точность порядка 10^-3. Сейчас мы осознаем, что, продолжая развивать эту тематику, нам по силам дойти до точности 10^-5. Мы ставим это своей ближайшей целью, но, думаю, это не предел, особенно если учитывать тот факт, что уже строятся источники УХН нового поколения, в десятки раз более интенсивные, чем ныне существующие.

Среди множества работ по нейтронной оптике имеется ряд экспериментов по изучению взаимодействия нейтронной волны с движущимся веществом. Значительная их часть сделана с нейтронными интерферометрами. В случае равномерного движения образца единственным наблюдаемым эффектом является изменение фазы нейтронной волны. И до последнего времени только этот случай и исследовался. Однако в середине 1990-х выяснилось теоретически, что, если образец вещества движется неравномерно, то прошедший через него нейтрон должен менять свою энергию. Насколько - зависит от показателя преломления вещества образца и его ускорения. Эффекты очень маленькие, и до недавнего времени их никто не наблюдал. Мы поняли, что наша методика позволяет увидеть этот эффект. В экспериментах 2005 и 2007 годов мы уверенно его наблюдали и аккуратно измерили. Тонкий, порядка 1 мм, образец (а через толстый УХН не проходят) двигался с ускорением порядка 10g. Изменение энергии нейтрона при этом составило 2х10^-10 эВ. Нам удалось впервые это наблюдать и измерить с точностью около 10 процентов.

Хотя это явление наблюдалось пока только для нейтронов, оно должно носить более общий характер. Дело в том, что понятие показателя преломления может быть справедливым и для взаимодействия частиц разной природы с веществом, поэтому эффект изменения энергии частицы (частоты волны) при ее прохождении через объем вещества, движущийся с ускорением, должен быть достаточно универсальным.