Исследование: нейтринный лазер неосуществим из-за ограничений физических механизмов

2 сентября физики Массачусетского технологического института опубликовали две статьи в журнале Physical Review Letters, в которых проанализировали ранее предложенную концепцию “нейтринного лазера”. Исследование показало, что из-за эффекта отдачи атомов и фермионной природы нейтрино схема генерации лазероподобного нейтринного пучка с использованием облака радиоактивных атомов физически трудно реализуема.

Нейтрино — это класс элементарных частиц с чрезвычайно малой массой и крайне слабым взаимодействием с обычным веществом. Ранее в исследованиях предлагалось охладить облако радиоактивных атомов до нанокельвинового диапазона, чтобы привести его в конденсат Бозе-Эйнштейна. Согласно этой концепции, атомы в состоянии квантовой когерентности могут распадаться синхронно и через квантовый эффект усиления, подобный “сверхизлучению”, создавать нейтринный пучок с высокой направленностью. В соответствующих схемах в качестве примера также рассматривался радиоактивный рубидий, предполагая, что его период полураспада может сократиться с 86 дней до 1 минуты.

Анализ, проведённый Вольфгангом Кеттерле, профессором физики имени Джона Д. Макартура в Массачусетском технологическом институте, а также постдокторантами Линь Ханьчжэнь и Лу Юйкунем, показал, что эта концепция сталкивается с фундаментальными препятствиями. Исследование указывает, что нейтрино в радиоактивном распаде несут гораздо более высокую энергию, чем фотоны видимого света, и их испускание вызывает сильную отдачу распавшихся атомов. Атомы отдачи покидают конденсат с чрезвычайно высокой скоростью и не могут сохранить достаточную квантовую “память” в конденсате, что затрудняет формирование устойчивого усиливающего процесса сверхизлучения.

В другой статье исследовательская группа также отметила, что даже если предположить, что атомы отдачи оставляют квантовый след, фермионная природа нейтрино приведёт к противоположному эффекту. В отличие от бозонов, таких как фотоны, нейтрино относятся к фермионам. Анализ показывает, что квантовые корреляции уже испущенных нейтрино не способствуют испусканию последующих нейтрино в том же направлении, а наоборот, подавляют такое направленное усиление, что препятствует формированию лазероподобного нейтринного пучка.

Джо Формаджо и Бен Джонс, предложившие концепцию нейтринного лазера, считают, что новое исследование является убедительной проверкой этой идеи и отражает процесс рецензирования новых концепций научным сообществом. Кеттерле, в свою очередь, отметил, что наука нуждается в творческих дискуссиях для изучения законов природы, однако в случае нейтринного лазера эта концепция “слишком хороша, чтобы быть правдой”. Исследование поддержано Национальным научным фондом США, Центром сверххолодных атомов и другими организациями.