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。 うまくいけば、余剰次元なども見えてくる可能性がある。 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 今回、主に調べようとしている領域 縦軸がα（相互作用の強さ）、 横軸がλ（相互作用の有効距離） 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、

このような２つのポテンシャルが存在する場合、 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、

参考文献 ： arXiv:0709.3266 , Phys.Rev.C75,015501(2007) 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。 カウンター 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。