Дослідники з Массачусетського технологічного інституту та Університету Техасу в Арлінгтоні запропонували нову концепцію: лазер, який генерує сфокусований пучок нейтрино завдяки квантовим властивостям матерії. Ідея полягає у тому, щоб використати радіоактивні атоми, охолоджені до стану бозе-ейнштейнівського конденсату, які можуть синхронно розпадатися і випромінювати нейтрино в режимі суперрадіації. Про це повідомляє медіа про науку, технології та здоров’я КРВ.медіа з посиланням на текст дослідження, опублікованого в журналі Physical Review Letters.
Що таке нейтринний лазер і як він працює
Фізики Бен Джонс з Університету Техасу в Арлінгтоні та Джозеф Формаджо з Массачусетського технологічного інституту теоретично описали нову можливість генерування нейтрино — нейтринний лазер. Йдеться про пристрій, у якому нейтрино випромінюються швидко та скоординовано, подібно до того, як звичайний лазер створює сфокусований пучок світла.
Ключем до такого механізму може стати використання радіоактивних атомів (наприклад, ізотопу рубідій-83), які охолоджуються до наднизьких температур і переходять у квантовий стан, відомий як бозе-ейнштейнівський конденсат (БЕК). У цьому стані атоми поводяться як єдине квантове ціле.
Саме у такому когерентному середовищі, на думку науковців, можлива суперрадіація — явище, коли частинки синхронно й інтенсивно випромінюють енергію. Якщо замість фотонів ідеться про радіоактивний розпад, у результаті можна отримати короткий, інтенсивний спалах нейтрино — потенційно, лазероподібний пучок.
Від початкової гіпотези до суперрадіації
Перші спроби реалізації ідеї виникли ще кілька років тому. Тоді вчені припускали, що просто переведення атомів у стан БЕК дозволить пришвидшити їх розпад. Однак подальші розрахунки показали — це не впливає на швидкість утворення нейтрино.
Згодом Бен Джонс запропонував доповнити модель ще одним явищем — суперрадіацією, яка давно відома у квантовій оптиці. Вона виникає, коли багато атомів у збудженому стані починають випромінювати в унісон, створюючи короткий, але дуже інтенсивний імпульс фотонів.
Вчені адаптували математичні рівняння, що описують суперрадіацію світла, до випадку радіоактивного розпаду. Результат — у теорії атоми в когерентному стані можуть синхронно розпадатися, що веде до посиленого і пришвидшеного утворення нейтрино.
«Раптово все склалося воєдино. Суперрадіація в радіоактивному конденсаті потенційно може забезпечити лазероподібне випромінювання нейтрино», — пояснив професор Формаджо.
Чому нейтрино не можна просто «ввімкнути»
Нейтрино — це елементарні частинки без заряду, з надзвичайно малою масою, які майже не взаємодіють з речовиною. Щосекунди трильйони нейтрино проходять крізь людське тіло — і жодного ефекту.
Їх складно вивчати саме тому, що вони не залишають слідів — на відміну від електронів або фотонів. Традиційні джерела нейтрино — Сонце, ядерні реактори, наднові — не дають можливості створити кероване, когерентне випромінювання.
Саме тому ідея нейтринного лазера настільки перспективна: вона вперше пропонує контрольоване джерело нейтрино, що може стати проривом у фундаментальній фізиці.
Рубідій-83
як матеріал для першого нейтринного лазера
Щоб перевірити концепцію, вчені провели теоретичні розрахунки з 1 мільйоном атомів рубідію-83 — радіоактивного ізотопу з періодом напіврозпаду близько 82 днів. У звичайних умовах лише половина таких атомів розпадається за цей час.
Проте, в моделі суперохолодженого БЕК, ці самі атоми потенційно можуть синхронно розпастися за лічені хвилини, вивільняючи пучок нейтрино з лазероподібними властивостями.
«Це не просто пришвидшення процесу — це створення нового квантового режиму радіоактивного розпаду», — пояснює Джонс.
Дослідники планують створити експериментальну установку, у якій радіоактивний матеріал буде переведено у газоподібний стан, охолоджено лазерами до стану БЕК і спостерігатиметься за можливими проявами суперрадіації.
Вони наголошують: ідея поки що не підтверджена експериментально. Проте навіть спроба створення такого нейтринного лазера — це прорив у прикладній квантовій фізиці.
«Якщо ми зможемо реалізувати це в лабораторії, тоді постане питання: чи можемо ми використати це як новий тип детектора, або навіть як засіб комунікації? Ось тоді й почнеться справжнє дослідження», — говорить Формаджо.
Можливі застосування
Керовані джерела нейтрино можуть мати потенціал у різних галузях:
-
дослідження будови матерії;
-
вивчення раннього Всесвіту;
-
створення мініатюрних нейтринних детекторів;
-
розробка нових форм зв’язку, які не перешкоджають фізичні об’єкти (нейтрино легко проходять крізь планети).
Поки що ці ідеї залишаються на рівні припущень, однак із кожним кроком теорія стає ближчою до перевірки.
Раніше ми писали, що у США хочуть добувати золото з ртуті через ядерний синтез
