Физики сделали разделенный нейтронный интерферометр

Фотография разделенного нейтронного интерферометра

H. Lemmel et al. / Journal of Applied Crystallography, 2022

Европейские физики построили первый в мире разделенный нейтронный интерферометр. В своем опыте они работали с симметричной схемой, в которой подвижен только анализатор. Благодаря высокоточной системе позиционирования и контролю температуры им удалось получить контрастную интерферограмму. В перспективе их наработки помогут создать кососимметричный нейтронный интерферометр, плечи которого можно будет делать длинными. Исследование опубликовано в Journal of Applied Crystallography.

Более полувека назад Ричард Фейнман, рассуждая о квантовых свойствах электронов, предложил мысленный эксперимент с двумя щелями. Его целью было показать возникновение квантовой интерференции, которая возникает, если частица может достигнуть конечной точки несколькими альтернативными способами. Предложенный принцип нашел применение в интерферометрах — приборах, основанных на чувствительности квантовой интерференции к условиям, в которых распространяются частицы.

Чувствительность интерферометра тем выше, чем меньше длина волны частицы. В случае массивных частиц речь идет о дебройлевской длине волны, которая чаще всего обратно пропорциональна корню из массы. Идеальным инструментом интерферометрии, таким образом, стали атомы, с помощью которых удается изготавливать чрезвычайно чувствительные переносные гравиметры, а также ловить тонкие гравитационные эффекты.

Однако атомные интерферометры чрезвычайно сложны, поскольку движением пучка атомов в них управляют точно настроенные лазерные вспышки. Вместо них можно использовать пучки нейтронов, которые также обладают внушительной массой. Для их расщепления, перенаправления и сведения можно использовать кристаллы, на которых частицы испытывают дифракцию. Проблема, однако, в том, что вместе с чувствительностью к сигналу интерферометр приобретает чувствительность к неидеальностям при расположении основных элементов друг относительно друга.

Впервые эта проблема была решена в 1974 году с помощью идеального монокристалла кремния, пространство которого аккуратно выпиливается, чтобы оставить лишь несколько пластин, служащих делителем, анализатором и брэгговскими зеркалами. Сегодня такой способ стал стандартом нейтронной интерферометрии, позволяя физикам закручивать нейтроны, проверять дискретность пространства-времени и искать пятую силу. Вместе с тем, длина пути нейтронов жестко ограничена размерами кристаллов, что критично для некоторых эффектов. Кроме того, не все желаемые объекты можно разместить между пластинами. Этих проблем были бы лишены интерферометры с разделяющимися частями, но их создание упирается в точность позиционирования основных элементов.

Впервые преодолеть эти трудности и изготовить такой нейтронный интерферометр удалось физикам из Австрии, Италии и Франции при участии Хартмута Леммеля (Hartmut Lemmel) из Венского технического университета. В их эксперименте подвижной частью интерферометра был анализатор. Путем тщательного контроля угла и положения анализирующей пластины, авторы смогли добиться сведения нейтронных пучков и получить интерферограмму.

Нейтроны невозможно отразить обычным зеркалом, как это делают со светом. Вместо этого физики используют дифракцию нейтронов на кристаллической решетке. При правильно подобранном угле падения на нужную кристаллографическую плоскость, существенная часть пучка может отразиться. В случае с плоскостью [220] монокристалла кремния соответствующий брэгговский угол для нейтронов с дебройлевской длиной волны, равной 0,19 нанометров, равен 30 градусам. Этот эффект используется и для расщепления пучка на две части в делителе, и в отражении в двух зеркалах, и в сведении их вместе в анализаторе. На выходе из анализатора также рождается два пучка, интенсивность между которыми распределяется согласно интерференции обоих путей.

Это определяет требования к выравниванию элементов в разделенных интерферометрах. Последние делятся на два типа: симметричные, в которых подвижен только анализатор, и кососимметричные, в которых подвижен анализатор вместе с одним из зеркал. Последний тип представляет наибольший интерес, поскольку в этом случае можно увеличить путь в обоих плечах, однако его выравнивание еще более сложное, чем в симметричном случае, поэтому авторы решили сначала отработать принципы юстировки в более простом случае.

В своем эксперименте физики взяли за основу рентгеновский интерферометр, который ранее использовался для сверхточного измерения постоянной решетки кремния. И хотя рентгеновские и нейтронные пучки могут дифрагировать при одних и тех же условиях, во втором случае требования к выравниванию строже. Из семи параметров анализатора (три пространственных угла, три координаты, а также разница в постоянных решеток между разными частями интерферометра) наиболее важными оказались угол рыскания, угол тангажа и смещение в плоскости, а также соответствие постоянных решеток. Последний параметр зависит от разности температур из-за тепловых расширений элементов. Физики оценили, что она не должна превышать 10 милликельвин для элементов интерферометра. Для предварительного контроля остальных трех параметров они использовали лазерный интерферометр.

Для более точной юстировки исследователи опирались уже на показания с нейтронных детекторов, установленных у двух выходов с анализатора. Для этого они устанавливали его на платформу с пьезоприводом, которая позволяла наклонять пластину в пределах ±70 микрорадиан с шагом 0,65 нанорадиан. Основную работу они проводили с тангажным углом. В отсутствии выравнивания пучки, приходящие в анализатор были слегка отклонены, что выражалось в горизонтальном муаровом узоре. Поскольку ось вращения в пьезоприводе располагалась на 38 миллиметров ниже точки сведения, каждое изменение угла привносило также и небольшое смещение в сторону, что выражалось в дополнительном фазовом сдвиге и наклону муара.

Тем не менее, при некотором значении угла полосы становились вертикальными, а контраст максимальным. В этом положении достигалось рабочее состояние интерферометра. Чтобы в этом убедиться, физики сняли интерферограмму с помощью алюминиевого фазовращателя, помещенного в одно из плечей. Контраст интерференционной картины составил около 40 процентов. И хотя это значение сильно уступает контрасту, достигаемому в идеальных интерферометрах, полученные авторами результаты — это первый пример работающего разделенного интерферометра для типичных нейтронных пучков. По мнению физиков, они показали, что для реализации кососимметричных интерферометров нет фундаментальных ограничений.

Нейтроны играют важную роль в поисках Новой физики. Их распады ограничивают теории, выходящие за пределы Стандартной модели, а также помогают искать зеркальную материю.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.