Физики из Института Лауэ – Ланжевена (ILL) в Гренобле (Франция) и Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) обнаружили в рассеянии нейтронов эффект, аналогичный наблюдающемуся в акустике и оптике «эффекту шепчущей галереи». Обнаруженное явление было зарегистрировано впервые в мире.

Работа была выполнена на крупнейшем исследовательском реакторе в Институте Лауэ – Ланжевена. Экспериментальную методику разработали сотрудники ILL (Валерий Несвижевский – создатель методики, Роберт Кубитт – выполнил тонкие измерения на нейтронном спектрометре), а теоретический аппарат, детально объясняющий наблюдаемое явление, – сотрудники ФИАНа (Алексей Воронин – автор теоретического аппарата, сотрудник сектора теоретической ядерной физики ОЯФА ФИАН, Константин Протасов – соавтор в разработке теоретического аппарата, декан Гренобльского Университета, в прошлом также сотрудник ФИАНа). Результаты проделанной совместной работы опубликованы в декабрьском номере (от 13.12.2009) престижного исследовательского журнала Nature Physics .

Само наблюдаемое явление состоит в том, что часть холодных нейтронов (холодными называются нейтроны с энергией от 10^-7 до 10^-2 эВ, а в эксперименте энергия нейтронов составляла величину порядка 10^-2 эВ), рассеиваемых на цилиндрическом зеркале, отклоняется на аномально большие углы, которые в сотни раз больше классического критического угла рассеяния нейтронов для вещества зеркала.

На языке квантовой механики причиной такого аномального рассеяния является то, что часть нейтронов захватывается в квазистационарные квантовые состояния, локализованные у поверхности зеркала центробежным и Ферми-потенциалами. Времена жизни нейтронов в таких состояниях оказываются достаточно большими, и это позволяет нейтрону отклониться на значительный угол, – объяснил заведующий сектором теоретической ядерной физики ОЯФА ФИАН доктор физ.-мат. наук Олег Далькаров.

Обнаруженный эффект, обусловленный волновой природой нейтронов, позволяет провести аналогию с хорошо известным в акустике и позднее в оптике явлением локализации волн вблизи искривленной поверхности цилиндрической формы, которое носит название «эффекта шепчущей галереи. Данный эффект в случае звуковых волн заключается в том, что в помещениях круглой формы шёпот стоящего у стены человека оказывается хорошо слышен вдоль всей стены, а теория, его объясняющая, была дана еще в 19 веке в знаменитой "Теории звука» лорда Релея.

Схема эксперимента. 1: траектории движения нейтронов, 2: цилиндрические зеркала, 3: нейтронный детектор, 4: квантовое движение вдоль поверхности зеркала. Справа: фото монокристаллического цилиндрического кремниевого зеркала

Сам по себе «эффект шепчущей галереи» известен давно. В известном смысле задача распространения волн вблизи кривой поверхности относится к числу «школьных». Но в последние годы интерес к таким «школьным» задачам квантовой механики резко возрос. Это связано с резко возросшими экспериментальными возможностями наблюдать квантовые явления, о которых раньше не могли и помышлять. В исследуемой нами «шепчущей галерее» волной является не звук, не свет, а массивная частица – нейтрон, и мы имеем возможность с метрологической точностью установить степень согласия теории с экспериментом, – рассказал автор теоретического объяснения наблюдаемого явления кандидат физ.-мат.наук Алексей Воронин.

Однако уникальная экспериментальная методика позволила физикам не только наблюдать эффект рассеяния нейтронов на аномально большие углы, но и детально исследовать свойства квантовых состояний «нейтронной шепчущей галереи». Ключевым моментом явилась зависимость времени жизни квантовых состояний от центробежного ускорения, а, следовательно, и от скорости движения нейтронов вдоль поверхности зеркала. Это означает, что, изменяя скорость нейтронов, можно «управлять» количеством тех нейтронов, которые отклонятся на большие углы. При этом область вблизи поверхности зеркала, в которой вероятность обнаружения нейтронов максимальна, составляет десятки нанометров, а это, в свою очередь, позволяет детально исследовать физику взаимодействия нейтронов с веществом на нанорасстояниях.

Среди важнейших приложений нового подхода к изучению взаимодействий нейтронов с веществом – возможность на несколько порядков уточнить ограничения на константы связи в моделях фундаментальных взаимодействий, расширяющих Стандартную модель, возможность исследования физики поверхностей и многочисленные приложения нейтронной оптики.