Триллионы нейтрино каждую секунду проходят сквозь наши тела. Эти частицы меньше электронов и легче фотонов, при этом именно они являются самыми многочисленными частицами с массой во Вселенной. Несмотря на это, их свойства до сих пор остаются одной из главных загадок современной физики.
Физики из Массачусетского технологического института предложили дерзкий способ по-новому изучать нейтрино: создать первый в мире лазер на их основе. В отличие от громоздких реакторов и ускорителей частиц, установка могла бы разместиться на лабораторном столе.
В своей работе исследователи описали, что охлаждение газа радиоактивных атомов до температур ниже космического холода позволит синхронизировать их радиоактивный распад. В таком квантовом состоянии атомы начнут испускать мощный поток нейтрино — аналог того, как фотоны формируют усиленный лазерный луч.
«В нашей концепции нейтринного лазера частицы будут испускаться гораздо быстрее, чем обычно, примерно так же, как лазер генерирует фотоны с высокой скоростью», — пояснил Бен Джонс, доцент физики Техасского университета в Арлингтоне и соавтор исследования.
В обычных условиях радиоактивные атомы распадаются медленно. Например, у рубидия-83 период полураспада составляет 82 дня — половина атомов выделяет нейтрино почти за три месяца. Но расчёты показали, что если миллион таких атомов охладить до состояния бозе-эйнштейновского конденсата, где они начинают вести себя как единое целое, синхронизированный распад произойдёт всего за несколько минут. Это даст быстрый и когерентный поток нейтрино.
«Это принципиально новый способ ускорить радиоактивный распад и получить нейтрино, ничего подобного раньше не делали», — отметил профессор MIT Джозеф Формаджио. Учёные опираются на известный оптический эффект суперизлучения, когда атомы синхронно испускают фотоны, усиливая световой поток. Применив те же законы к радиоактивным атомам, можно добиться аналогичного усиленного выброса нейтрино.
Если эксперимент окажется успешным, нейтринный лазер откроет неожиданные перспективы. Одна из них — связь : такие лучи практически не взаимодействуют с веществом, а значит, могут проходить сквозь Землю, достигая подземных станций или космических объектов без помех. Другая область применения — медицина: изотопы, возникающие в ходе радиоактивного распада, могут использоваться для диагностики и визуализации опухолей.
«Достаточно взять радиоактивный материал, испарить его, захватить лазерами, охладить и перевести в бозе-эйнштейновский конденсат, после чего суперизлучение должно начаться само собой», — объяснил Джонс.
Создание такой установки будет крайне сложной задачей. До сих пор никто не получал конденсат из радиоактивных атомов, а сама работа потребует высочайшей точности и жёстких мер безопасности. Однако исследователи уверены, что продемонстрировать идею в малом масштабе реально. «Если удастся показать это в лаборатории, можно будет задуматься: использовать ли установку как детектор нейтрино или как новый способ связи? Именно тогда начнётся самое интересное», — добавил Формаджио.