重力に束縛された超冷中性子の量子状態の精密測定

精确测量受重力约束的超冷中子的量子态

基本信息

批准号：
10J01661
负责人：
市川豪
金额：
$ 1.34万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2010
资助国家：
日本
起止时间：
2010 至 2012
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-10J01661/
关键词：
中性子重力量子力学検出器

项目摘要

本年度は、平成23年度にフランスのラウエーランジュバン研究所で17日間にわたって取得した実験データの物理的な解析を行った。超冷中性子の量子状態の位置分布を、凸面鏡を用いて拡大するというこれまでに前例のない実験手法であり、解析の方法についても、結果を実験的に確認したものが無いため、新たに考案する必要があった。中性子の分布が拡大円筒で反射されてピクセル検出器上で検出されるまでの過程は、鉛直方向の位置だけではなく運動量にもよるため、位相空間上の中性子分布を用いる必要がある。そのため、ウィグナー関数を用いて位相空間上の準確率分布を考え、ガイド端の位相空間上の点とピクセル検出器上での検出位置の対応関係を、古典力学による軌跡で近似することで、検出器上の中性子分布を与えるモデルを立てた。量子状態の各準位の確率は、古典力学と同じエネルギー分布を持ち中性子ガイド内に入射した超冷中性子が、ガイドの中で床と天井によって取り除かれていく、という過程を定式化して計算を行った。実験データの中性子分布と、量子力学に基づく計算による分布はよく一致し、特にはじめの数個の分布の濃淡が一致していることが確認出来た。これは、明らかに、古典力学に基づいた計算からは得られない結果である。中性子分布を測定する精度は、0.7マイクロメートルであると評価した。これまでの中性子の分布を測定する精度は、検出器単体の分解能の数マイクロメートルに限られていたが、この研究によって、これを越えるサブミクロンの精度で測定することに世界で初めて成功した。

今年，我们对 2011 年在法国劳尔朗之万研究所历时 17 天获得的实验数据进行了物理分析。这是一种前所未有的实验方法，利用凸面镜来扩展超冷中子量子态的位置分布，而分析方法尚未得到实验证实，所以我们需要设计一种新方法。中子分布从被膨胀的圆柱体反射到被像素探测器检测到的过程不仅取决于垂直位置，还取决于动量，因此需要使用相空间中的中子分布。因此，利用维格纳函数考虑相空间上的准概率分布，并用基于经典力学的轨迹来近似引导端相空间上的点与像素检测器上的检测位置之间的对应关系，检测我们建立了一个模型来给出容器上的中子分布。量子态每个能级的概率是通过制定一个过程来计算的，在该过程中，具有与经典力学相同的能量分布并进入中子导向器的超冷中子被导向器的底部和顶部移除。证实实验数据的中子分布与基于量子力学计算的中子分布吻合较好，特别是前几个分布。这显然是基于经典力学的计算无法得到的结果。测量中子分布的精度估计为 0.7 微米。到目前为止，测量中子分布的精度仅限于单个探测器的分辨率，即几微米，但通过这项研究，我们在世界上第一个成功地以亚微米精度进行测量，超过了这个精度。