[論文レビュー] Gravity experiments with ultracold neutrons and the qBounce experiment

Tobias Jenke, G. Cronenberg+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2015

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、地球の重力場内の量子状態を研究するために超低温中性子（UCNs）を用いるqBounce実験を提示する。鏡と硬い境界によって形成される重力ポテンシャル井戸にUCNsを捕らえることで、量子バンシングボールダイナミクスを観測し、重力共鳴分光法（GRS）を実施し、量子カーペットで50％のコントラストを達成。これにより、重力および弱い等価原理の高精度な検証が可能となる。

ABSTRACT

This work focuses on the control and understanding of a gravitationally interacting elementary quantum system. It offers a new way of looking at gravitation based on quantum interference: an ultracold neutron, a quantum particle, as an object and as a tool. The ultracold neutron as a tool reflects from a mirror in well-defined quantum states in the gravity potential of the earth allowing to apply the concept of gravity resonance spectroscopy (GRS). GRS relies on frequency measurements, which provide a spectacular sensitivity.

研究の動機と目的

• 鏡を硬い境界として用いることで、地球の重力場内における超低温中性子の量子状態を調査すること。
• 重力共鳴分光法（GRS）を発展・応用し、重力的エネルギー準位の高精度な測定を行うこと。
• 重力ポテンシャル内における量子状態の重ね合わせの時間発展を、量子カーペットとして可視化すること。
• 量子バンシングボールダイナミクスから得られる重力的長さスケール $ z_0 $ とGRSから得られるエネルギースケール $ E_0 $ を比較することで、弱い等価原理を検証すること。
• 高精度な量子重力測定を用いて、仮説的な第五力や中性子電気双極子モーメントの探索を行うこと。

提案手法

• 超低温中性子を平坦な下部鏡と粗い上部鏡の間の30 µm幅のスリットに閉じ込め、一次元の量子井戸を形成する。
• 系は、線形重力ポテンシャル $ mgz $ と $ z=0 $ における硬い壁を伴うシュレーディンガー方程式でモデル化され、アイル関数の解が得られる。
• 振動する鏡を用いて機械的結合により離散的量子準位間の遷移を駆動することで、重力共鳴分光法（GRS）を実装する。
• 容量センサを用いたナノステージ制御系により、数日間にわたり10 nmの精度で鏡のステップを安定化させ、量子状態の安定的発展を可能にする。
• 空間的密度分布はウラン被膜を施した核トラック検出器を用いて測定され、波束の時間分解のスナップショットにより時間発展が捉えられる。
• 系は、スケーリング係数 $ z_0 \approx 5.9\ \mu\text{m} $、$ E_0 \approx 0.6\ \text{peV} $、$ t_0 \approx 1.1\ \text{ms} $ を用いて動的特性を正規化し、物理的パラメータを抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間分解的に、重力的量子状態の重ね合わせが準備され、観測可能であるか？
• RQ2 バンシングニュートロン波束における量子干渉パターン（量子カーペット）のコントラストと可視性は何か？
• RQ3 機械的駆動を用いた重力共鳴分光法（GRS）により、重力的エネルギー準位をどの程度高精度に測定できるか？
• RQ4 量子バンシングボール実験を用いて、$ z_0 $ と $ E_0 $ を比較することで、弱い等価原理を検証可能か？
• RQ5 測定されたエネルギー準位のずれに基づいて、仮説的な第五力や中性子電気双極子モーメントに及ぼされる制限は何か？

主な発見

• qBounce実験は、量子カーペットパターンにおける約50％のコントラストを測定し、量子バンシングボールダイナミクスを成功裏に観測した。
• ILL PF2ビームラインで75日間のビームタイムを要し、鏡のステップサイズが20 µmおよび30 µmの条件下で、量子バンシングボールの最初の2枚のスナップショットが得られた。
• 波束の時間発展が、重力ポテンシャル井戸内での最低位の量子状態のみを含むことが確認され、重力井戸内での重ね合わせ状態の準備が実証された。
• 容量センサとクローズドループナノステージ制御により、鏡のステップが10 nmの精度で安定化され、量子状態の長期的安定発展が可能となった。
• 顕微鏡のキャリブレーションが1％の精度で決定されたが、現在これが $ z_0 $ スケールの抽出精度を制限している。
• 本実験は、重力共鳴分光法（GRS）と量子バンシングボールダイナミクスを組み合わせることで、弱い等価原理や新規力の高精度な検証が可能であることを示した。