Super chladicí radioaktivní atomy by mohly vytvořit laserový neutrinový paprsek, potenciálně otevřít novou cestu pro studium těchto nepolapitelných částic a dokonce umožnit nové formy komunikace.
V každém okamžiku, torrenty neutrin procházejí našimi těly a předměty kolem nás, aniž by opustili stopu. Tyto duchovní částice jsou menší než elektrony a lehčí než fotony, nejhojnější masivní částice ve vesmíru.
Přesná hmotnost neutrina zůstává neznámá. Protože jsou nepatrné a interagují jen zřídka s hmotou, jejich měření je mimořádně náročné. Abychom to mohli sondovat, vědci používají jaderné reaktory a velké akcelerátory částic k vytvoření nestabilních atomů, které se rozpadají do několika vedlejších produktů, včetně neutrin. Tato zařízení produkují paprsky neutrin, které mohou vědci studovat na vlastnosti, jako je hmota.
S Fyzici nyní popisují mnohem kompaktnější a efektivnější přístup k produkci neutrin, které by mohly být provedeny na stole.
V papíru, který se objevuje v Fyzikální kontrolní dopisyFyzici představují koncept „neutrino laseru“-výbuch neutrin, který by mohl být vyroben laserem chlazením plynu radioaktivních atomů až na teploty chladnější než mezihvězdné prostory. V takových chladných tempích tým předpovídá, že by se atomy měly chovat jako jedna kvantová entita a radioaktivně se rozkládají v synchronizaci.
Rozpad radioaktivních atomů přirozeně uvolňuje neutrina a fyziky říkají, že v koherentním stavu by měl tento rozpad zrychlit spolu s produkcí neutrin. Tento kvantový účinek by měl produkovat amplifikovaný paprsek neutrin, široce podobný tomu, jak jsou fotony amplifikovány za vzniku konvenčního laserového světla.
„V našem konceptu pro neutrino laser by neutrina byla emitována mnohem rychleji, než by normálně by to bylo, jako laser velmi rychle emituje fotony,“ říká spoluautor studie Ben Jones PhD ’15, docent fyziky na Texasu v Arlingtonu.
Jako příklad tým vypočítal, že takový neutrinový laser lze realizovat zachycením 1 milionu atomů Rubidium-83. Normálně mají radioaktivní atomy poločas asi 82 dní, což znamená, že polovina atomů rozpadu, která uvolňuje ekvivalentní počet neutrin, každých 82 dní. Fyzici ukazují, že atomy, atomy, by měly podstoupit radioaktivní rozpad za pouhých minut chlazení Rubidium-83 do koherentního kvantového stavu.
„Je to nový způsob, jak urychlit radioaktivní rozpad a produkce neutrin, což podle mého vědomí nikdy nebylo provedeno,“ říká spoluautor Joseph Formaggio, profesor fyziky na MIT.
Tým doufá, že vytvoří malou demonstraci stolního stolu, aby otestoval jejich myšlenku. Pokud to funguje, představují se, že by neutrino laser mohl být použit jako novou formu komunikace, pomocí které mohly být částice odesílány přímo přes Zemi na podzemní stanice a stanoviště. Neutrino laser by mohl být také účinným zdrojem radioisotopů, které jsou spolu s neutriny vedlejšími produkty radioaktivního rozpadu. Takové radioizotopy by mohly být použity ke zvýšení lékařského zobrazování a diagnostiky rakoviny.
Koherentní kondenzát
Pro každý atom Ve vesmíru je asi miliarda neutrin. Velká část těchto neviditelných částic se mohla vytvořit v prvních okamžicích po Velký třeskA přetrvávají v tom, co fyzici nazývají „kosmický neutrino pozadí“. Neutrina se také vyrábějí, kdykoli se atomová jádra spojí dohromady nebo se rozpadají, například ve fúzních reakcích v jádru Slunce a při normálním rozpadu radioaktivních materiálů.
Před několika lety se formaggio a Jones samostatně považovali za novou možnost: Co kdyby přirozený proces produkce neutrin mohl být posílen kvantovou koherencí? Počáteční průzkumy odhalily základní zátarasy při realizaci. O několik let později, při diskusi o vlastnostech Ultracold Tritium (nestabilní izotop vodíku, který podléhá radioaktivnímu rozpadu), se zeptali: Mohla by být produkce neutrin zvýšena, pokud by mohly být tak chladné, že by mohly být tak chladné, že by mohly být přivedeny do kvantového stavu známého jako bose-einstein kondenzátu?
Kondenzát Bose-Einstein nebo BEC je stav hmoty, který se tvoří, když je plyn určitých částic ochlazen na blízko Absolutní nula. V tomto okamžiku jsou částice sníženy na nejnižší energetickou hladinu a přestanou se pohybovat jako jednotlivci. V tomto hlubokém zmrazení mohou částice začít „cítit“ kvantové účinky ostatních a mohou působit jako jedna koherentní entita – jedinečná fáze, která může vést k exotické fyzice.
BEC byly realizovány v řadě atomových druh. (Jedním z prvních případů byl s atomy sodíku, od MIT Wolfgang Ketterle, který za výsledkem sdílel Nobelovu cenu z roku 2001 ve fyzice.) Nicméně, nikdo neudělal BEC od atomů s radioaktivními atomy. To by bylo výjimečně náročné, protože většina radioisotopů má krátké poločasy a rozpadla by se úplně, než by mohly být dostatečně ochlazeny, aby vytvořily BEC.
Formaggio však přemýšlel, zda by se mohly radioaktivní atomy vyrobit v BEC, zlepšilo by to výrobu neutrin nějakým způsobem? Při pokusu o vypracování kvantových mechanických výpočtů zpočátku zjistil, že žádný takový účinek nebyl pravděpodobný.
„Ukázalo se, že se jedná o červené sledě-nemůžeme urychlit proces radioaktivního rozpadu a produkci neutrinu, jen vytvořením kondenzátu Bose-Einstein,“ říká Formaggio.
V synchronizaci s optikou
O několik let později, Jones tuto myšlenku revidoval s přidanou složkou: Superradiance-jev kvantové optiky, ke kterému dochází, když je stimulována sbírka atomů emitujícího světla, aby se chovala synchronizována. V této koherentní fázi se předpokládá, že atomy by měly emitovat výbuch fotonů, které jsou „superradické“ nebo zářivější, než když jsou atomy obvykle mimo synchronizaci.
Jones navrhl Formaggio, že možná podobný superradiantní účinek je možný v radioaktivním kondenzátu Bose-Einsteinu, což by pak mohlo vést k podobnému výbuchu neutrin. Fyzici šli na rýsovací prkno, aby vypracovali rovnice kvantové mechaniky upravující, jak se atomy emitující světlo morfují z koherentního startovního stavu do superradiantního stavu. Použili stejné rovnice, aby zjistili, co by radioaktivní atomy v koherentním stavu BEC udělaly.
„Výsledkem je: Získáte mnohem více fotonů rychleji a když použijete stejná pravidla na něco, co vám dává neutrina, dá vám to celá spoustu více neutrin rychleji,“ vysvětluje Formaggio. „Tehdy, když kousky klikly dohromady, že superradiance v radioaktivním kondenzátu by mohla umožnit tuto zrychlenou emise neutrinu podobného laseru.“
Pro teorii testování jejich konceptu tým vypočítal, jak by se neutrina vyráběla z oblaku 1 milionu super chlazených atomů Rubidium-83. Zjistili, že v koherentním stavu BEC se atomy radioaktivně rozpadly rychlostí zrychlujícího a uvolnily laserový paprsek neutrin během několika minut.
Nyní, když fyzici teoreticky ukázali, že je možný neutrino laser, plánují tuto myšlenku vyzkoušet s malým stolním nastavením.
„Mělo by to stačit k tomu, abychom si vzali tento radioaktivní materiál, odpařovali ho, zachytili ho lasery, ochladili jej a pak ho proměnili v kondenzát Bose-Einstein,“ říká Jones. „Pak by to mělo začít spontánně.“
Pár uznává, že takový experiment bude vyžadovat řadu preventivních opatření a pečlivou manipulaci.
„Pokud se ukáže, že to můžeme ukázat v laboratoři, pak lidé mohou přemýšlet: můžeme to použít jako detektor neutrina? Nebo novou formu komunikace?“ Formaggio říká. „Tehdy to opravdu začíná zábava.“
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
