Физики из Массачусетского технологического института (MIT) предложили более компактный и эффективный способ генерации нейтрино, который можно реализовать в настольном эксперименте.
Охлаждение радиоактивных атомов может создать лазерный луч нейтрино
Охлаждение радиоактивных атомов с помощью лазера до температур ниже межзвёздного пространства может стать новым способом изучения нейтрино — призрачных частиц, пронизывающих всё вокруг нас.
В любой момент через наши тела и все материалы вокруг нас проходят триллионы частиц, называемых нейтрино, без заметного эффекта. Эти призрачные сущности меньше электронов и легче фотонов, они являются самыми распространёнными частицами с массой во Вселенной.
Точная масса нейтрино неизвестна. Частица настолько мала и так редко взаимодействует с материей, что её невероятно трудно измерить. Учёные пытаются сделать это, используя ядерные реакторы и массивные ускорители частиц для получения нестабильных атомов, которые затем распадаются на различные побочные продукты, включая нейтрино. Таким образом физики могут создавать пучки нейтрино, свойства которых, включая массу частицы, можно исследовать.
Новый способ генерации нейтрино
В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, физики из MIT представляют концепцию «нейтринного лазера» — всплеска нейтрино, который может быть получен путём лазерного охлаждения газа радиоактивных атомов до температур ниже межзвёздного пространства.
При таких низких температурах атомы должны вести себя как единое квантовое образование и радиоактивно распадаться синхронно. Распад радиоактивных атомов естественным образом высвобождает нейтрино, и физики утверждают, что в когерентном, квантовом состоянии этот распад должен ускоряться вместе с производством нейтрино. Этот квантовый эффект должен создать усиленный пучок нейтрино, подобно тому как фотоны усиливаются для получения обычного лазерного света.
«В нашей концепции нейтринного лазера нейтрино будут излучаться с гораздо большей скоростью, чем обычно, примерно как лазер излучает фотоны очень быстро», — говорит соавтор исследования Бен Джонс, доцент кафедры физики Техасского университета в Арлингтоне.
Например, команда подсчитала, что такой нейтринный лазер можно реализовать, захватив 1 миллион атомов рубидия-83. Обычно радиоактивные атомы имеют период полураспада около 82 дней, что означает, что половина атомов распадается, излучая эквивалентное количество нейтрино, каждые 82 дня. Физики показывают, что при охлаждении рубидия-83 до когерентного, квантового состояния атомы должны подвергаться радиоактивному распаду за считанные минуты.
«Это новый способ ускорения радиоактивного распада и производства нейтрино, который, насколько мне известно, никогда не осуществлялся», — говорит соавтор Джозеф Формаджио, профессор физики в MIT.
Команда надеется создать небольшой настольный демонстрационный эксперимент для проверки своей идеи. Если всё получится, они предполагают, что нейтринный лазер можно будет использовать в качестве нового вида связи, при котором частицы можно будет отправлять прямо через Землю на подземные станции и в места обитания. Нейтринный лазер также может стать эффективным источником радиоизотопов, которые наряду с нейтрино являются побочными продуктами радиоактивного распада. Такие радиоизотопы можно использовать для улучшения медицинской визуализации и диагностики рака.
Когерентный конденсат
На каждый атом во Вселенной приходится около миллиарда нейтрино. Большая часть этих невидимых частиц могла образоваться в первые моменты после Большого взрыва и сохраняется в том, что физики называют «космическим нейтринным фоном».
Нейтрино также образуются всякий раз, когда атомные ядра сливаются или распадаются, например, в реакциях слияния в ядре Солнца, а также при обычном распаде радиоактивных материалов.
Несколько лет назад Формаджио и Джонс отдельно рассмотрели новую возможность: что если естественный процесс производства нейтрино можно усилить за счёт квантовой когерентности? Первоначальные исследования выявили фундаментальные препятствия на пути к реализации этого.
Годы спустя, обсуждая свойства сверххолодного трития (нестабильного изотопа водорода, который подвергается радиоактивному распаду), они спросили: можно ли усилить производство нейтрино, если радиоактивные атомы, такие как тритий, охладить настолько, что они перейдут в квантовое состояние, известное как бозе-эйнштейновский конденсат?
Бозе-эйнштейновский конденсат (БЭК) — это состояние вещества, которое образуется, когда газ из определённых частиц охлаждается почти до абсолютного нуля. В этот момент частицы опускаются до своего низшего энергетического уровня и перестают двигаться как отдельные объекты. В этом глубоком холоде частицы могут начать «чувствовать» квантовые эффекты друг друга и действовать как единое когерентное образование — уникальная фаза, которая может привести к экзотической физике.
БЭК были реализованы для ряда атомных видов. Однако никто не создавал БЭК из радиоактивных атомов. Сделать это было бы исключительно сложно, поскольку большинство радиоизотопов имеют короткий период полураспада и полностью распадаются до того, как их можно достаточно охладить для формирования БЭК.
Тем не менее Формаджио задался вопросом: если бы радиоактивные атомы можно было превратить в БЭК, усилило бы это каким-то образом производство нейтрино? При попытке разобраться в квантово-механических расчётах он обнаружил, что такого эффекта, скорее всего, не будет.
«Оказалось, что это отвлекающий манёвр — мы не можем ускорить процесс радиоактивного распада и производства нейтрино, просто создав бозе-эйнштейновский конденсат», — говорит Формаджио.
Синхронно с оптикой
Несколько лет спустя Джонс вернулся к этой идее с добавленным ингредиентом: сверхизлучение — явление квантовой оптики, которое возникает, когда совокупность излучающих свет атомов стимулируется к синхронному поведению. В этой когерентной фазе прогнозируется, что атомы должны излучать всплеск фотонов, который является «сверхизлучающим», то есть более излучающим, чем когда атомы обычно не синхронизированы.
Джонс предложил Формаджио, что, возможно, аналогичный сверхизлучающий эффект возможен в радиоактивном бозе-эйнштейновском конденсате, что затем может привести к аналогичному всплеску нейтрино.
Физики сели за чертёжную доску, чтобы разработать уравнения квантовой механики, управляющие тем, как излучающие свет атомы переходят из когерентного начального состояния в сверхизлучающее состояние. Они использовали те же уравнения, чтобы выяснить, что будут делать радиоактивные атомы в когерентном состоянии БЭК.
«Результат таков: вы получаете гораздо больше фотонов быстрее, и когда вы применяете те же правила к чему-то, что даёт вам нейтрино, вы получите гораздо больше нейтрино быстрее», — объясняет Формаджио. «Именно тогда всё сошлось: сверхизлучение в радиоактивном конденсате может обеспечить ускоренное, похожее на лазер, излучение нейтрино».
Чтобы проверить свою концепцию в теории, команда рассчитала, как будут производиться нейтрино из облака в 1 миллион сверххолодных атомов рубидия-83. Они обнаружили, что в когерентном состоянии БЭК атомы радиоактивно распадаются с ускоряющейся скоростью, испуская луч нейтрино, подобный лазерному, в течение нескольких минут.
Теперь, когда физики теоретически доказали возможность нейтринного лазера, они планируют проверить идею с помощью небольшого настольного эксперимента.