Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 1 L’expérience GRANIT Un spectromètre pour mesurer les niveaux quantiques.

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1 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 1 L’expérience GRANIT Un spectromètre pour mesurer les niveaux quantiques du neutron dans le champ de pesanteur. Rencontre Jeunes Chercheurs 2007

2 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 2 Sommaire 1 Physique des neutrons ultra froids 2 Etats quantiques des neutrons bondissants 3 Le futur spectromètre GRANIT

3 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 3 L’institut Laue-Langevin Synchrotron européenVercors L’ILL :  Réacteur nucléaire 53 MW  Source de neutrons la plus intense du monde

4 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 4 Sommaire 1 Physique des neutrons ultra froids 2 Etats quantiques des neutrons bondissants 3 Le futur spectromètre GRANIT

5 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 5 Les neutrons ultra froids (UCN) 10 MeV 0.025 eV 100 neV E matière n production Neutrons thermiques Neutrons ultra froids Neutrons optiques  longueur d’onde >2 Å  interaction avec la matière décrite par un potentiel moyen (de Fermi) ~ 100 neV Neutrons ultra froids  énergie < potentiel de Fermi  réflexion totale sur les surfaces peuvent être stockés dans des boites vitesse < 7 m/s

6 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 6 Extraction des UCN Production d’UCN à l’ILL Source deutérium 20 K Guide courbé Turbine  Proportion 10 -9 du spectre maxwellien à 20 K  Densité 50 UCN / cm 3

7 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 7 Sommaire 1 Physique des neutrons ultra froids 2 Etats quantiques des neutrons bondissants 3 Le futur spectromètre GRANIT

8 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 8 Etats quantiques du neutron bondissant Une particule rebondissant au dessus d’un miroir possède un spectre d’énergie discret. Equation de Schrödinger Stabilité radiative des états excités : T ~ 10 77 s Pignol, Protasov, Nesvizhevsky Class. Quantum Grav. 24 (2007)

9 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 9 Violation de l’universalité de la chute libre David Scott : bodies fall at the same rate regardless of mass

10 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 10 Violation de l’universalité de la chute libre Equation de Schrödinger Equation de Newton Chute classique indépendante de la masse On peut mesurer la masse d’un neutron en le regardant tomber : Taille caractéristique des fonctions d’onde dépendantes de la masse

11 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 11 Le principe d’équivalence  Chute du neutron Koester, PRD 14 (1976)  Futur MICROSCOPE lancement 2010  Futur Satellite Test of Eq Principle Inerte Grave On vérifie l’égalité de la masse grave et de la masse inerte à 20 % près.

12 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 12 Découverte des états quantiques en 1999 Nesvizhevsky et al, Nature 415 (2002) CLASSIQUE QUANTIQUE

13 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 13 Situation actuelle Nesvizhevsky et al, Eur. Phys. J. C 40 (2005)  Précision des mesures limitée par la résolution de l’absorbeur  Spectrométrie des états excités difficile Prochaine étape : l’expérience GRANIT  GRAvity Neutrons Induced Transitions  Mesures précise d’observables de type énergie  Début des mesures : fin 2008.

14 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 14 Sommaire 1 Physique des neutrons ultra froids 2 Etats quantiques des neutrons bondissants 3 Le futur spectromètre GRANIT GRAvity Neutron Induced Transitions

15 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 15 Exciter des transitions résonantes Neutron initialement, soumis à la perturbation Probabilité d’observer le neutron dans l’état excité à l’instant t Pulsation de Rabi définissant l’intensité de la perturbation pour la transition N → n Observation de résonances Mesure des différences d’énergie

16 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 16 Exciter des transitions résonantes  Temps minimal pour résoudre les niveaux voisins : 10 ms  Temps disponible « en vol » :  Précision ultime liée à la durée de vie du neutron Largeur des résonances  Etape 1 : mettre en évidence les transitions en vol  Etape 2 : piéger les états quantiques pour approcher la sensibilité ultime

17 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 17 Excitation magnétique des transitions Avec un gradient magnétique Expériences futures  Perturbations utilisant un miroir oscillant  Perturbations gravitationnelles : masse oscillante

18 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 18 Excitation des résonances en vol Source UCN Sélection d’un état excité Seul l’état fondamental est transmis Gradient magnétique périodique Détecteur de hauteur Mesure de la vitesse horizontale  La transition excité -> fondamental est résonante pour une vitesse horizontale déterminée.  Mesure à 1% des fréquences de transitions

19 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 19 Piéger les états quantiques  Remplissage du piège  Gradient magnétique oscillant  Extraction  Objectif : T = 1 s  Précision 10 -4 sur les fréquences de transitions Séquences de mesure Temps de stockage

20 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 20 Conclusions  Les états quantiques du neutron dans le champ de pesanteur ont étés découverts en 1999. Ce phénomène quantique associé au champ de pesanteur contredit l’universalité de la chute libre.  Le spectromètre GRANIT permettra une mesure précise du spectre des états quantiques de pesanteur du neutron :  Observation des transitions résonantes en vol  Augmenter la précision avec des états quantiques piégés.  Le spectromètre est en construction. Les premières mesures commencent fin 2008.  GRANIT testera le principe d’équivalence dans un régime quantique.

21 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 21 Le spectromètre GRANIT

22 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 22 Les UCN et les interactions fondamentales Les UCN ressentent toutes les interactions faiblement, mais sensiblement.  Interaction faible désintégration β en 886 s  Interaction forte potentiel de Fermi ~100 neV  Electromagnétisme B = 1 T induit une séparation Zeeman de ~100 neV  Gravitation le neutron gagne ~100 neV pour une chute de 1 m Les UCN permettent d’étudier toutes les interactions, y compris la gravitation

23 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 23 Sensibilité à de nouvelles interactions MIROIR neutron Nouveau boson léger de masse M Interaction supplémentaire entre le neutron et le miroir de portée Modification du spectre Couplage monopole-monopole indépendant du spin

24 Guillaume Pignol (LPSC)GRANIT et les rebonds quantiques du neutron 11/12/2007 24 Interactions supplémentaires dépendant du spin MIROIR neutron Nouveau boson léger de masse M Interaction supplémentaire entre le neutron et le miroir de portée Spectre différent pour deux composantes de spin Couplage monopole-dipole dépendant du spin