Na prvi pogled, fizika sugerira da je nemoguće napraviti laser od neutrina, poznatih po tome što su izuzetno neuhvatljivi subatomski čestice. Ali, jedan nekonvencionalni trik otvara mogućnost.
Ideja se zasniva na kvantnomehaničkom fenomenu zvanom superradijansa. U superradijansi, grupa atoma može kolektivno emitovati svjetlost u jednom naletu, umjesto u sitnim dijelovima. Pod pravim uvjetima, superradijansa bi mogla proizvesti i neutrinni nalet, navode fizičari u članku objavljenom 12. septembra u Physical Review Letters. Takvi snopovi mogli bi omogućiti nova istraživanja neutrina i kvantne fizike.
“Rijetko je vidjeti ovakve nove, inovativne ideje,” kaže fizičar neutrina Carlos Argüelles s Harvard University. “Ovo je jednostavno super zanimljivo.”
Tradicionalni laseri temelje se na principu stimulisane emisije, gdje jedna čestica svjetlosti potiče emitovanje više svjetlosti. (Sam izraz “laser” zapravo je akronim: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.) Međutim, stimulisana emisija vrijedi samo za čestice svjetlosti i slične čestice, poznate kao bozoni. Neutrini spadaju u drugu klasu čestica, fermione, i ne podliježu ovom principu.
Ovde na scenu stupa superradijansa, netradicionalna metoda za stvaranje lasera. Efekt proizvodi nalet čestica ili svjetlosti, sve emitovano u istom smjeru i s istom energijom, kao kod standardnog laserskog snopa. Superradijansa se primjenjuje ne samo na bozone, već i na fermione, uključujući neutrine. “Čini se da se ovo ranije nije dovoljno prepoznalo,” kaže Benjamin Jones, fizičar s University of Texas u Arlingtonu.
On i Joseph Formaggio s MIT-a otkrili su ovu potencijalno zanemarenu ideju i razvili plan kako iskoristiti superradijansu za proizvodnju neutrina, što se nadaju uskoro demonstrirati u laboratoriju.
Tehnika zahtijeva Bose-Einsteinov kondenzat, stanje materije u kojem su atomi dovoljno ohlađeni da zauzmu isti kvantni status. Ali postoji uvjet: kondenzat mora biti radioaktivan. Jones i Formaggio predlažu upotrebu radioaktivnog rubidijuma-83, koji proizvodi neutrin pri raspadu.
Normalno, rubidijum-83 raspada se s poluvrijemeom od oko 86 dana. No u Bose-Einsteinovom kondenzatu taj raspad bi se dramatično ubrzao. Milion atoma rubidijuma-83 raspao bi se u nekoliko minuta, proizvodeći nalet neutrina. Za veće grupe atoma ubrzanje bi bilo još veće.
Superradijansa proizlazi iz kvantnomehaničkog koncepta superpozicije, gdje čestice istovremeno postoje u dva stanja. Ako raspad nastupi u grupi identičnih atoma — poput Bose-Einsteinovog kondenzata — nije moguće odrediti koji se atom raspao. To stvara superpoziciju u kojoj atomi istovremeno jesu i nisu se raspali. Kada se dogodi više raspada, postoji mnogo mogućih redoslijeda, što ubrzava stopu radioaktivnog raspada i emisiju neutrina.
“Stvaranje neutrinog lasera bi bilo izazovno,” kaže nuklearni fizičar Kyle Leach sa Colorado School of Mines. “Ali nema konceptualne prepreke zbog koje ovo ne bi moglo funkcionisati. A ako uspije, koristi su ogromne.”
Tehnika bi fizičarima neutrina mogla omogućiti istraživanja bez potrebe za skupim akceleratorima čestica, gdje se trenutačno proizvode neutrin snopovi. Iako neutrin laser ne bi mogao dostići energiju ili intenzitet akceleratorskih snopova, imao bi prednost: čestice bi bile kvantno korelisane. “Na neki način drže se za ruke u kvantnomehaničkom smislu,” kaže Argüelles.
Ova karakteristika mogla bi pomoći fizičarima da prouče kolektivno ponašanje kvantnih čestica, poput onog kada stara zvijezda kolapsira i eksplodira u supernovi, gdje se proizvode ogromne količine neutrina. Neutrin laseri bi mogli pomoći u razjašnjavanju tog fenomena. U dalekoj budućnosti, Leach zamišlja ispaljivanje dva neutrin lasera jedan prema drugom kako bi se proučilo njihovo interferiranje.
Ali prvo, istraživači moraju dokazati da ideja funkcioniše. “Ovo je eksperiment koji se može izvesti i to u laboratoriju veličine stola na univerzitetu,” kaže Jones. “Trebamo saznati događa li se proces zaista onako kako tvrdi.”