Fizycy z Massachusetts Institute of Technology wykazali, że przedstawiona rok temu koncepcja lasera neutrinowego w rzeczywistości nie może powstać. Dwa niezależne dowody kwantowe opublikowane na łamach Physical Review Letters przez Wolfganga Ketterle'a oraz jego współpracowników Hanzhena Lina i Yu-Kuna Lu, obalają ten pomysł zarówno ze względów fizycznych, jak i fundamentalnych.
Chodziło o skierowaną, wzmocnioną wiązkę neutrin, cząstek tak słabo oddziałujących z materią, że biliony z nich przelatują co sekundę przez ciało człowieka. Warstwa ołowiu o grubości roku świetlnego zatrzymałaby zaledwie połowę. Tymczasem Słońce emituje ich około 10^{38} na sekundę. Od odkrycia w 1956 roku, neutrina wciąż zaskakują, ponieważ mają trzy "zapachy", oscylują między nimi i mogą być swoimi własnymi antycząstkami. Właśnie dlatego pomysł, by zebrać je w spójną wiązkę, wydawał się tak kuszący. Teraz wiemy już, że to nie możliwe.
Chcieli zbudować laser neutrinowy, ale się nie da
We wrześniu 2025 roku Joseph Formaggio z MIT i Ben Jones, wówczas z University of Texas at Arlington, a dziś z University of Manchester, zaproponowali wykorzystanie superradiancji w kondensacie Bosego-Einsteina radioaktywnego rubidu-83. W temperaturach rzędu nanokelwinów chmura atomów zachowuje się jak jedna całość kwantowa, a dla fotonów ten mechanizm już wzmacnia emisję w jednym kierunku. Autorzy uznali, że analogicznie powinno być z neutrinami. Chodziło o okres połowicznego rozpadu, który skróciłby się z 86 dni do około minuty. Koncepcja była teoretycznie spójna, choć nikt nigdy nie wytworzył kondensatu z atomów radioaktywnych.
Pierwszy zarzut Ketterle'a dotyczy odrzutu. Neutrino z rozpadu unosi energię rzędu miliona elektronowoltów, milion razy większą niż foton światła widzialnego, więc atom zostaje odrzucony z prędkością rzędu Mach 10 i w ułamku mikrosekundy opuszcza kondensat. Superradiancja wymaga czasu, by układ zapamiętał kierunek pierwszej emisji. Przy tak gwałtownym odrzucie pamięć nie zdąży powstać i chmura wraca do zwykłego tempa rozpadu. Niezależna analiza zespołu z JILA, NIST i University of Colorado Boulder potwierdziła, że kooperatywność układu jest o wiele rzędów wielkości za mała.
Drugi argument sięga natury samej cząstki. Foton jest bozonem i może dzielić stan kwantowy z innymi fotonami, stąd klasyczne wzmocnienie superradiacyjne. Neutrino jest fermionem i podlega zakazowi Pauliego, więc pierwsza emisja zostawia w kondensacie nie wskazówkę, by emitować dalej w tym kierunku, lecz instrukcję przeciwną. Zamiast pamięci powstaje antypamięć, a po pierwszym rozpadzie zbiorowe wzmocnienie gaśnie.
Zobacz również:
Nie będzie lasera neutrinowego, ale to nie tragedia
Rubid-83 jest bozonem, lecz produkt rozpadu, krypton-83, już fermionem. "Jeśli opisać to poprawnie dla emitowanych fermionów, otrzymuje się antypamięć, która nie przyspiesza emisji w formie superradiacyjnej" - powiedział Ketterle.
Formaggio przyjął obalenie spokojnie, przypominając, że sprawdzanie nowych idei należy do obowiązków środowiska. Wniosek wykracza poza sam laser neutrinowy, ponieważ superradiacyjne wzmocnienie w kondensacie Bosego-Einsteina nie działa dla emisji fermionowej, a więc także dla elektronów czy kwarków. Co ciekawe, mimo wszystko, najnowsze badania nie przekreślają badań nad neutrinami ani detektorami takimi jak np. IceCube czy KATRIN. Zamyka natomiast to tylko jedną szczególnie efektowną drogę, czyli budowę laserów neutrinowych.
***
Bądź na bieżąco i zostań jednym z 97 tys. obserwujących nasz fanpage - polub GeekWeek na Facebooku i komentuj tam nasze artykuły!
