États quantiques du neutron dans le champ de pesanteur

17
États quantiquesduneutron
dansle champ de pesanteur :
unlaboratoirepour l’étude
de lagravitation
Konstantin Protassov
[e-mail]
Laboratoiredephysiquesubatomiqueetde cosmologie (LPSC),UMR 5821,UniversitéJoseph Fourier/CNRS/Institut
NationalPolytechnique,Grenoble
L’étude de lagravitation danslessystèmesmicroscopiquesest ungrand défi expérimentaletunexcellent
laboratoirepour testerlesthéoriesquantiquesmodernes.La découverterécentedesétats liésduneutron dans
le champ de pesanteur représenteunpasimportantdanscettevoie.
agravitation est certainement,parmi toutesles
interactionsde lanature,laplus universelle,laplus
évidenteet,paradoxalement,laplus malconnue
expérimentalement.Tous lescorpsmatérielsainsiqueles
photonssontsensiblesàcetteforce,maissicetteinter-
action est bien étudiée pour lesobjets macroscopiques,
elle l’est beaucoupmoinsdansle monde microscopique.
Onlecomprend assezfacilementcarcetteinteraction est
trèsfaible. Unexemple parlantde lafaiblesserelativedela
gravitépourraitêtrel’atome d’hydrogène,composéd’un
proton etd’unélectron,pour lesquelsl’attraction dueàla
forceélectriqueest 10 40foisplus fortequecelle dueàla
gravitation. Deplus,dansle monde microscopiqueelle est
égalementconcurrencée pardeux autresinteractions–
forteetfaible –quisontdesinteractionsàcourteportée.
La deuxième raison de notrecompréhension incom-
plètedelagravitation est plutôtd’ordreconceptuel :nous
avonstoujours beaucoupdemalàl’intégrerdanslesthéo-
riesquantiquesmodernesetàconstruireune théorie qui
unifie lesquatreinteractionsfondamentales.Nous ne
sommespasen mesurededonnerune formulation parfai-
tementcohérentedelathéorie quantiquedelagravita-
tion :laraison essentielle tientàcequelagéométrie de
l’espace-tempstientlieud’invariantstructurel pour la
théorie quantiquedeschampstandisqu’elle est lavariable
dynamiquedelarelativitégénérale. Au-delàdesdifficultés
techniquesde construction desmodèles,le problème cen-
tralsetrouvedoncdansune radicale divergenceconcep-
tuelle queles«astuces»usuellementemployéesen
physiquedeshautesénergiesne permettentpasde lever.
C’est pourquoi toutenouvelle expériencepouvantaborder
lagravitation dansle monde microscopique–lemonde de
lamécaniquequantique–susciteunintérêtparticulier.
La signaturelaplus explicited’unphénomène quanti-
queest son caractèrediscretet,en particulier,unsystème
quantiquedoitprésenterdesénergiesne pouvantprendre
quedesvaleurs bien définies.La faiblessedel’interaction
gravitationnelle rend ladifférenceentredeux énergies
quantiquepermisestrèsfaible,etainsitrèsdifficilement
détectable.
Danslaconception d’une expériencequicherche àmet-
treenévidencedesphénomènesquantiquespour unsys-
tème gravitationnel,le problème majeur restelanécessité
de s’affranchirde l’interaction coulombienne. Cettecondi-
tion imposed’utiliserdesparticulesneutres.Aujourd’hui,
lesphysicienssaventbien maîtriseretmanipulerlesato-
mesneutresetlesneutrons,excellents candidats pour ce
type d’études.Malheureusement,malgréleur neutralité
électrique,lesatomesdemeurentsensiblesàune interac-
tion électromagnétiquedueàleur polarisabilité.
L’autrecandidat,le neutron,est parfaitementneutre.
Deplus,sadurée de vie (de l’ordredequinzeminutes)est
suffisammentlonguepour permettresamanipulation.
Cependant,saneutralitécrée unautreproblème :un
neutron issu d’une fission nucléaireaune fâcheuseten-
danceàs’échapper.Ilpossède une grande vitesseetpénè-
treainsifacilementd’épaissescouchesde matière. Pour
l’apprivoiser,il faut le «ralentir»etle «canaliser»,afin de
produiredesneutronsde trèsbasseénergie appelésneu-
tronsultrafroids(UCN, voirencadré ). Cesneutronspou-
vantêtreconfinésdansdespiègesmatériels,il est possible
d’étudierleur comportementdansle champ gravitationnel.
Système expérimental
L’idée de fairerebondirdesneutronsultrafroidsau-
dessus d’unmiroir,pour étudierleur comportement
dansle champ de pesanteur,aétésuggérée pardeux phy-
siciensduJointInstitut forNuclearResearchdeDubna
(JINR),VladislavLouschikovetAlexanderFrank,au
début desannées70.Lemouvementduneutron sur un
miroirparfaitsesépareendeux mouvements indépen-
dants :le mouvementhorizontallelong dumiroiretle
L

États quantiquesduneutron dansle champ de pesanteur :unlaboratoirepour l’étude de lagravitation
18
mouvementvertical,selon l’axez.Silepremierest un
mouvementlibre,le deuxième ne l’est pas:le neutron
resteconfiné entrelemiroird’uncôtéetle champ de
pesanteur de l’autre,quil’empêche de monterindéfini-
ment.Cedeuxième mouvementseraaucentredenotre
intérêt.
Cetexerciceélémentaired’une balle quirebonditsur
une surfaceest bien connuen physique:en fonction de
son énergie,laballe vamonteràune hauteur plus ou
moinsgrande.
La mécaniquequantiquepréditunrésultatbeaucoup
moinstrivial. Elle affirme quel’énergie d’unsystème
confiné ne possède quedesvaleurs discrètes(quanti-
fiées). Dansnotrecas,celaveut direquel’énergie duneu-
tron ne possède quecertainesvaleurs bien définies
correspondantaumouvementvertical. Enparticulier,la
Neutronsultrafroids
Encadré 1
Leterme «neutronsultrafroids»(en anglais«ultracold
neutrons»–UCN)aétéintroduitaudébut desannées70
parIlyaFrank (physicien théoricien,prixNobel pour l’expli-
cation de l’effetCerenkovetdirecteur dulaboratoireoùla
découvertedesUCN aétéfaite) etAlbert Steyerl(physicien
expérimentateur,undespremiers àétudierlesUCN)pour
désignerune infime partie desneutronsproduits dansun
réacteur nucléaire. La caractéristiqueprincipale quidistin-
guecesneutronsde tous lesautresest leur interaction avec
lamatière:ilssonttellementlents qu’ilsne peuventpas
pénétrerdanslamatière. Cesneutronssontréfléchisparla
surfacedelaplupart desmatériaux.
Lesneutronsnaissentdansunréacteur,lors d’une fis-
sion desnoyaux d’uranium,avecde trèsgrandesvitessesde
l’ordrede20 000 km/s.Maisilsentrenttrèsrapidementen
collision avecle milieuenvironnantcomposé,parexemple,
de graphiteoud’eau.Lechoixde cesmatériaux (appelés
modérateurs)est dictésurtout parleur capacitéàralentirles
neutrons(modérerleurs vitesses). Comme une boule de
billardsur une table de jeucouverted’autresboules,unneu-
tron issu d’une fission entreencollision élastiqueavecles
noyaux de carbone (pour lesréacteurs àgraphite),perdson
élanenquelquesdizainesde collisionsetcontinuesacourse
avecdesvitessesbeaucoupplus faibles.L’écrasantemajorité
desneutronsontainsidesvitessesde l’ordrede2km/s.
Cependant,on trouvedesneutronsdesvitessesbeaucoup
plus petitesoubeaucoupplus grandesquecettevaleur.Les
neutronstrèslents (UCN)ontdesvitessesextrêmementfai-
bles(de l’ordred’une dizaine de m/s)parrapport àlaplupart
de leurs confrèresetne représententqu’une partie infime,
de l’ordrede10 –11,dunombretotaldesneutronsdansun
réacteur.Onpeut direquelesneutronsavecdesvitessesde
l’ordrede2km/s ontune températureambiantedel’ordre
de 30 °Cou300 Ktandisquelesneutronsavecdesvitesses
de l’ordrede10m/s ontune températureeffectivedel’ordre
d’unmillikelvin !
La propriétédesUCN d’êtreréfléchisàlasurfacedela
matièrepeut paraîtreétonnante,surtout queleneutron aété
découvert en 1932 grâceàsacapacitéàpénétrerde trèsépais-
sescouchesde matière. C’est pourquoi le stockage desneu-
tronsdansunvolume,nécessairepour augmenterladurée
d’observation danslesexpériences,paraissaitalors inimagi-
nable. C’est en 1959 queYakovZeldovichasupposéle
contraireetqu’il aformulé lesconditionspour quecela
puisseêtreréalisé. Ilacomprisen particulierque,même si
lessurfacesde volume de stockage sontàtempérature
ambiante,lesUCN stockésne serontpasréchaufféslors des
collisionscontrelesparois.Maisil afalluattendrepresque
une dizaine d’annéesavantquel’existencedecesneutrons
soitmiseenévidenceen1968parungroupe de chercheurs
duJINR de Dubna.
Cetteexpérienceétaittrèsdifficile àréaliser:le nombre
totaldesUCN dansunréacteur n’est pastrèsgrand,mais
surtout il faut les«séparer»detous lesautresneutrons.
Même aujourd’huicettetâche n’est pasaisée. Dansle
monde,il n’existequepeude réacteurs auprèsdesquelson
puissefairedesexpériencesavecdesUCN.Leplus grand
flux d’UCN est obtenuauprèsduréacteur de l’Institut Laue
Langevin (ILL)àGrenoble,quigarde lasuprématie mon-
diale dansle domaine.
La propriétéd’interaction desUCN aveclamatière
trouveson explication naturelle dansle cadredelamécani-
quequantiquequidécritdesparticulescomme desondes.
Comme lalumière,ilspeuventêtrecaractérisésparune lon-
gueur d’onde ditededeBroglie. Cettelongueur est inverse-
mentproportionnelle àlavitesseduneutron etdéfinit«sa
taille ». Unneutron quis’approche de lasurfacedela
matièreavecune trèsfaible vitessepossède une taille
énorme –beaucoupplus grande queladistanceentrelesato-
mesvoisins.Ilnevoitpasd’atomesdistincts,il interagit
simultanémentavecungrand nombred’atomesetil est
réfléchi àlasurfacedetous lesmatériaux (àquelquesexcep-
tionsprès). Nous pouvonsiciconsidérerquecettediffusion
est élastique. Cecisignifie qu’unUCN n’échange pasd’éner-
gie aveclasurfacedesmatériaux.Ilrestetoujours àtrès
bassetempératuremême silesmurs dupiège danslequel il
setrouvesontàlatempératureambiante.
Cettepropriétéest caractéristiquedesneutronssuffi-
sammentlents.Dèsquel’on augmentelavitesseduneu-
tron,il pénètredanslamatière. Onintroduitlanotion de
vitesselimited’unmatériau,dépendantde lacomposition
chimiqueetde ladensité. Cettevitesselimite«sépare»les
UCN desautresneutrons.Pour laplupart desmatériaux,elle
est de l’ordrede5-10m/s etelle correspond àune énergie
cinétiqueduneutron de l’ordredequelquesdizainesde neV.
La possibilitépour lesUCN d’êtrestockésdansunpiège
matériel ouvrelavoie àtouteune série de nouvellesexpérien-
cesdanslesquellesle tempsd’observation est de l’ordrede
quelquescentainesde secondes(proche de ladurée de vie du
neutron) parrapport àlafraction de seconde,caractéristique
desexpériencesaveclesneutronsplus rapides(le temps
nécessaireàunneutron ayantune vitessedequelqueskm/s
pour traverserune installation expérimentale d’une longueur
de quelquesmètres). Parmi cesexpériences,nous ne citerons
quelaplus fondamentale :lamesurelaplus précisedela
durée de vie duneutron est faiteaujourd’huiaveclesUCN.

19
États quantiquesduneutron dansle champ de pesanteur :unlaboratoirepour l’étude de lagravitation
mécaniquequantiqueinterditauneutron d’avoirune
énergie nulle :il luiest impossible de sereposersur la
surfacesansbouger.
Lesénergiesdiscrètespermisespeuventêtrefacile-
mentcalculéesen utilisantl’équation de Schrödinger.Le
potentiel ausein duquel le neutron est confiné est repré-
sentésur lafigure1.
D’uncôté(z=0),on voitle miroirquireprésenteun
potentiel infini,unmur infranchissable. Del’autre,le
champ de pesanteur crée le potentiel habituel V ( z)= mgz ,
g=9 , 8m / s 2étantl’accélération de lagravité. L’énergie
minimale permise–l’énergie de l’étatfondamental– est
extrêmementfaible,maisnon nulle :
avec
oùest laconstantedePlancketz0
l’échelle de longueur caractéristique. La constante2,34est
obtenueparlacondition d’annulation de lafonction
d’onde sur le miroir(lessolutionsanalytiquesde l’équa-
tion de Schrödingerde notreproblème sontconnues,ce
sontdescasparticuliers desfonctionsde Bessel quipor-
tentle nom de fonctionsd’Airy).
Pour serendrecomptedelafaiblessedecetteénergie
E 0 ,on peut rappelerquelesneutrons«naissent»dansle
réacteur avecdesénergiesde l’ordrede2⋅10 6eVetse
«refroidissent»jusqu’àlatempératureambiantequicor-
respond à0,025eV.MêmeslesUCN ontdesénergiesbeau-
coupplus grandes(de l’ordrede10 − 7eV)quecetteénergie
quantique,eton comprend trèsfacilementpourquoi le tra-
vail expérimentaldanscesconditionsreprésenteunchal-
lenge considérable etnécessiteune grande ingéniosité. En
revanche,l’échelle spatiale duproblème z 0≈5 , 87µ mse
trouvetrèsproche deséchellesdumonde macroscopique–
etceciest extraordinaireenmécaniquequantique.
Sur lamême figure,nous avonsreprésentéleséner-
giesE nde quelquesautresétats (dits états excités)ainsi
quelespositionsdespoints de rebroussementdusystème
ξ
n= E n / mg,quicorrespondentàlahauteur maximale que
peut atteindreune particule classiqued’énergie E n .Les
hauteurs z> ξ
nne sontpasaccessiblesàune particule clas-
sique,maisune particule quantiquepeut ypénétrerpar
effettunnel. Pour illustrercephénomène,sur lamême
figure,nous présentonslescarrésdesfonctionsd’onde
ψ
n ( z )duneutron pour lesquatreétats de plus basseéner-
gie. Ilsdonnentdirectementlaprobabilitédeprésencedes
neutronsdanslesdifférentespartiesde l’espace. Entre0et
ξ
n ,lafonction d’onde possède desmaximaetdesminima
etelle décroîtrapidementpour z>ξ
n .
Lesénergiesdesquatrepremiers états sontégalesres-
pectivementà1,4;2,5;3,3et4,1peV.Onpeut voirqueces
niveaux d’énergie serapprochententreeux (ladifférence
d’énergie diminue) avecle numérod’état.Pour lespoints
de rebroussement,on obtientlesvaleurs 13,7;24,0;32,4et
39,9micronsrespectivement.Lesniveaux serapprochent
et,danslalimiteclassique,établissentuncontinuum.
Cetteforme de fonction d’onde adonné l’idée de la
méthode quiapermisd’observerlesétats quantiques
pour lapremièrefois.Ilfaut mesurerlatransmission des
neutronsàtravers une fenteétroiteformée parle miroir
horizontalbien poli etunautremiroirpourvu d’une cou-
che de gadolinium,l’absorbeur,capable d’absorberles
neutronsavecune grande efficacité(figure2 ). Ce
deuxième miroirdoitêtreparfaitementparallèle aupre-
mieretsesitueàune distancevariable Δ zde celui-ci.
Sil’absorbeur setrouveplus haut quelepointde
rebroussement,alors il ne «touche »paslafonction
d’onde etlesneutronspeuventpasseràtravers lafente
sanspertes.Siladistanceentrelemiroiretl’absorbeur Δ z
diminue,lafonction d’onde duneutron
ψ
n ( z)commence
àpénétrerl’absorbeur etlaprobabilitédeperteaugmente
trèsrapidement.SiΔ zdevientplus petitquelataille carac-
téristiquedelafonction d’onde de l’étatfondamental,
alors lafentedevientnon transparentepour lesneutrons.
Figure1–Puits dupotentiel oùle neutron est confiné :infini en zéroàlasur-
facedumiroiretlinéaireenz( V=mgz )pour zpositif. Onprésenteégalement
lesniveaux d’énergie permisetlescarrésdesfonctionsd’onde
ψ
2 ( z )corres-
pondantesquidonnentlaprobabilitédeprésenceduneutron aupointz .
Emgz
00
12
23414
14 1014 10
=≈
=⋅ =⋅
,,
,,
–
peV
eV–– 31J
zmg
02213
2587=≈(/()),
/
( µ m
(=⋅ ⋅6671034 ,–Js
Figure2–Leschémade principe de l’expérience. Degauche àdroite:les
lignesgrassesverticalesreprésententle collimateur d’entrée (1) ;lesflèches
montrentdestrajectoiresclassiquesdesneutrons(2)entrelecollimateur et
lafenteformée parle miroirpoli (3)etl’absorbeur (4). Leslignes(5) illus-
trentle mouvementquantiqueau-dessus dumiroiretle carrérouge (6)
représenteledétecteur de neutrons.

États quantiquesduneutron dansle champ de pesanteur :unlaboratoirepour l’étude de lagravitation
20
Leschémade l’expérienceréalisée auprèsduréacteur
de l’ILL àGrenoble parValery Nesvizhevskyetsescolla-
borateurs est présentésur lafigure2 .L’expérienceconsis-
taiten lamesureduflux d’UCN avecune vitesse
horizontale de l’ordrede5à10mparseconde àtravers la
fenteentrelemiroiretl’absorbeur.Unsystème de colli-
mation avantl’installation permetde préparerun
«faisceau»deneutronshomogène en hauteur.
Soulignonslesconditionsparticulièrementcontrai-
gnantesauxquellescetteexpériencedoitsatisfairepour
protégercesystème contretouteperturbation quipuisse
détruirelesétats quantiques.Leflux d’UCN, comme nous
le verronsplus tard,est trèsfaible etimposeune trèsforte
protection de l’ensemble de l’installation contrelesneu-
tronsparasitesqui,aprèsmultiplesdiffusions,peuvent
donnerunimportantbruitde fond.
Unautretype descontraintesfortessontdescontrain-
tesoptiquesetmécaniques.Lemiroir(d’une longueur de
10cm) doitêtredetrèsbonne qualité–sinon larugositéde
lasurfacevacréerdesperturbationschaotiquesintrodui-
santdestransitionsentrelesdifférents niveaux etlesren-
dantinséparables.La distanceentrelemiroiret
l’absorbeur doitêtreajustée etmesurée avecune très
grande précision,de l’ordrede1micron,pour toutelasur-
facedel’absorbeur.Lesvariationsdesconditionsextérieu-
resreprésententune sourcemajeuredeperturbations.
D’une part,le système doitêtreprotégé desvibrations
(bruitsismique,activitéhumaine –mouvementdupont
roulantdanslasalle expérimentale,travail permanentdes
pompesàeauduréacteur outout simplementdéplace-
mentdesexpérimentateurs autour de l’installation).
D’autrepart,il faut concevoirunsystème de nivellement
pour «suivre»en permanenceladirection de l’accéléra-
tion duchamp gravitationnel afin quelemiroirluisoittou-
jours perpendiculaire. Unexpérimentateur quis’approche
de l’installation introduit,parexemple,une modification
duchamp gravitationnel nuisible pour le système étudié.
Lesoleil,quisedéplaceaucours de lajournée,chauffe le
bâtimentduréacteur etintroduitdesvariationspermanen-
tesduniveaudusol de lasalle expérimentale.
L’expériencedoitsedéroulersous vide carlesinter-
actionsélastiques(diffusion sur lesatomesde l’air)etiné-
lastiques(absorption desneutronsparlesatomes
d’hydrogène de l’eau)fontdisparaîtredesUCN sur de très
courtesdistances.Deplus,leschampsmagnétiquespara-
sites(champ terrestre,champscréesparlesmoteurs des
pompesàvide) aveclesquelslesneutronsinteragissent
parl’intermédiairedeleur momentmagnétiquepeuvent
perturberle système quantique.
Découverteexpérimentale
etpremièresétudesdusystème
Comme nous l’avonsdit,lesmouvements horizontaux
etverticaux duneutron peuventêtreconsidéréscomme
indépendants.Lemouvementhorizontal,avecune vitesse
moyenne de l’ordrede5à10m/s,obéitaux loisclassiques
tandisquelemouvementverticalavecdesvitessesde
l’ordredequelquescentimètresparseconde etdesénergies
de l’ordredequelquespeVest unmouvementquantique.
Cemouvementquantiquedevraitsemanifesterdans
le comptage dunombredeneutronsN(Δ z)quipassentà
travers lafenteenfonction de son ouverture. Sansmême
fairedecalculs,on peut s’attendre,en raisonnantdansun
cadrequantique,àdétecterune fonction «enescalier». Si
ladistanceentrelemiroiretl’absorbeur est inférieureàla
taille de lafonction d’onde de l’étatfondamental(égale,
grossomodo,àlavaleur de laposition dupointde rebrous-
sement),aucunneutron ne passeàtravers cettefente. En
revanche,dèsquel’absorbeur dépasselahauteur dupoint
de rebroussement,l’étatpeut «passer». Ceraisonne-
mentrestevalable pour tout étatquantique. Cettefonc-
tion N (Δ z)représentelenombred’états permisparla
mécaniquequantiquepour une ouverturedelafentedon-
née. Ilest clairégalementquelafonction «enescalier»
attendueseralissée parlarésolution spatiale quin’est
bien sûr jamaisparfaite. Notonsquelamécaniqueclassi-
queprévoituntout autrecomportement–sansaucun
changementde régime.
Lesrésultats expérimentaux présentéssur lafigure3
montrentclairementladifférenceentrelecomportement
prévu parlamécaniqueclassique(ligne noire) etl’obser-
vation expérimentale quisuitfidèlementle comporte-
mentquantiqueescompté(ligne rouge). Enparticulier,
on voitexplicitementquelafenteentrelemiroiret
l’absorbeur n’est absolumentpastransparente(le flux est
égalàzéroaubruitde fond près)tantqueson ouverture
est inférieureàapproximativement15 microns(lavaleur
préditeparlamécaniquequantique–laposition dupre-
mierpointde rebroussement). Cesdonnéesmontrent
explicitementle comportementquantiquedusystème et
représententainsiladécouvertedel’étatfondamental.
Lesétats excitésne semanifestentpasd’une façon
aussispectaculairequel’étatfondamental:lafonction en
Figure3–Flux de neutronsobtenulors de lapremièreexpérienceàtravers la
fenteentrelemiroiretl’absorbeur en fonction de leur écart.La ligne rouge
représentelescalculsde mécaniquequantique. La ligne noiredonne le com-
portementclassique.

21
États quantiquesduneutron dansle champ de pesanteur :unlaboratoirepour l’étude de lagravitation
escalierest lissée parlarésolution expérimentale. Souli-
gnonsquecetterésolution est largementdominée parles
propriétésquantiquesdusystème lui-même. L’explication
de cephénomène nécessiteuntraitementquantiqueplus
sophistiqué(courberouge) etelle est dueàl’effettunnel
de labarrièregravitationnelle (l’explication détaillée de ce
phénomène sort ducadredecetarticle).
Pour mentionnerencoreune foisladifficultéd’une
telle expérience,soulignonsqueletaux de comptage reste
particulièrementfaible :lafigure3représenteune semaine
de prisededonnéesauprèsduréacteur quiale flux de
neutronsle plus importantaumonde. Leproblème de la
statistique(nombred’événements détectés)resteundes
problèmesmajeurs danscetype d’études.
Cette«non visibilité»desétats excitésnous pousseà
proposerd’autresméthodespour étudierlespropriétés
desétats quantiqueset,en particulier,àprofiterdufait
quelesdimensionsspatialesdesfonctionsd’onde sont
vraimentspectaculairementgrandesparrapport aux sys-
tèmesatomiques.
La taille micrométriquedesfonctionsd’onde suggère
de lesphotographierdirectement.Pour cela, on remplace
dansle dispositif précédentle compteur d’UCN parun
détecteur sensible àlaposition,obtenude lamanièresui-
vante(figures4et5 ):on déposeune trèsfine couche d’ura-
nium-235enrichi sur une plaquedeplastique. Quand un
neutron ultrafroid réagitavecle noyaud’uranium,il pro-
voquesafission. Undesproduits de fission entredansle
plastiqueetylaisseune traceendétruisantlastructuredu
matériau.Ilresteàenleverlacouche d’uraniumetàdéve-
lopper«laphoto»–l’immergerdansune solution chimi-
queadaptée pour rendrelestraceslaisséespardes
produits de fission plus visibles.Une telle méthode per-
metd’obtenirune précision sur laposition d’impact(la
position oùunneutron aprovoquéune fission) de l’ordre
dumicromètre–une résolution suffisantepour permet-
tredevoirlesfonctionsd’onde etsurtout leur variation
spatiale (rappelonsquelecarrédelafonction d’onde four-
nitdirectementlaprobabilitédeprésenceduneutron à
une hauteur donnée).
Lerésultatd’une telle «photo»,prisedansdes
conditionsunpeuparticulières,est montrésur lafigure6.
La spécificitédecettephotoréside dansle choixdesfonc-
tionsd’onde :on apréparéunmélange de plusieurs états
quantiquesde sortequel’étatfondamentalsoitfortement
supprimé (l’idéalseraitde ne sélectionnerqu’unseulétat,
maisle flux de neutrons,même celuifourni parle réac-
teur de l’ILL, est tellementfaible qu’il ne laissepasbeau-
coupdechancedetrouverle signalparrapport aubruit).
Pour supprimerle premierétatquantique,on oblige
lesneutronsàdescendreune marche d’escalierd’une
hauteur de 15 microns–lataille de lafonction d’onde de
l’étatfondamental. Lors dupassage d’unmiroiràl’autre
formantcettemarche d’escalier,lesneutronsne peuvent
paspeuplerl’étatfondamentalensortie. Cettesuppres-
sion dupremierétatquantiquepermetde résoudreles
variationsde lafonction d’onde.
Figure4–Ledétecteur de position de neutron. Ilconsisteenune couche
d’uraniumenrichi déposésur une feuille de plastique.
Figure5–Lestraceslaisséesparlesproduits de fission desnoyaux d’ura-
niumdansle plastiqueaprèsdéveloppement.
Figure6–La probabilitédeprésencedeneutron dansle champ de pesan-
teur,mesurée parle détecteur sensible àlaposition de trèshauterésolution.
La courbethéoriquereprésentelescalculsaveclesnombresd’occupation des
états quantiquesmesurésdirectementparcomptage desneutrons.