Смілива ідея створити так званий «нейтринний лазер» наштовхнулася на фундаментальну квантову перешкоду. Нові розрахунки фізиків з MIT показали, що спосіб, який мав би фокусувати примарні нейтрино в спрямований пучок, руйнується через сильний віддачний рух атомів і квантову природу самих частинок. Про це йдеться в матеріалі SciTechDaily.
Нейтрино — це субатомні частинки з майже нульовою масою, які надзвичайно слабко взаємодіють зі звичайною речовиною. Триліони нейтрино щосекунди пролітають крізь кожен квадратний дюйм Землі, крізь скелі, зорі та людські тіла, практично не залишаючи сліду. Саме ця «невловимість» робить їх детектування і тим більше керування ними у вигляді сфокусованого променя особливо складним завданням.
Як мала працювати ідея нейтринного лазера
Торік професор фізики MIT Джо Формаджіо (Joe Formaggio) та тодішній доцент Університету Техасу в Арлінгтоні Бен Джонс (Ben Jones), який нині працює в Манчестерському університеті, запропонували обійти цю фізичну перешкоду. Вони теоретично розглянули хмару радіоактивних атомів, охолоджену до наднизьких температур — рівня наносельвінів, тобто приблизно до мільярдної частки температури міжзоряного простору.
За таких умов теплова рухливість атомів практично зникає, а їхня поведінка визначається винятково квантовою невизначеністю. Надхолодна хмара перетворюється на Бозе–Ейнштейнів конденсат — стан, у якому атоми поводяться як єдине квантово узгоджене ціле.
Формаджіо і Джонс припустили, що якщо радіоактивні атоми ввести в такий стан, їхній розпад може синхронізуватися завдяки квантовому ефекту, відомому як суперрадіація. Тоді атоми мали б не випромінювати нейтрино хаотично в усіх напрямках, а прискорювати розпад один одного та концентрувати частинки в «лазероподібний» пучок. В одному з варіантів схеми передбачалося, що період напіврозпаду радіоактивного рубідію скоротиться з 86 днів до приблизно однієї хвилини.
Однак це залишалося чисто теоретичною можливістю: жоден експеримент поки що не зміг створити Бозе–Ейнштейнів конденсат саме з радіоактивних атомів.
Два бар’єри на шляху до нейтринного лазера
Команда MIT тепер дійшла висновку, що запропонована схема в принципі не може працювати. У двох супровідних статтях в журналі Physical Review Letters професор Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle) та постдоки Ханьчжень Лінь (Hanzhen Lin) і Ю-Кунь Лю (Yu-Kun Lu) описали одразу два незалежні бар’єри.
Перший пов’язаний із потужною віддачею, яка виникає, коли нейтрино вилітає з атома під час радіоактивного розпаду. Другий — з тим, що нейтрино належить до класу частинок, які називаються ферміонами, зі специфічними квантовими властивостями.
Раніше суперрадіацію спостерігали з фотонами. Коли лазерне світло падає на Бозе–Ейнштейнів конденсат, надхолодні атоми можуть синхронізувати своє розсіяння так, що фотони вилітають у тому самому напрямку. За кімнатної температури цього не відбувається: фотони розсіюються випадково, утворюючи лише тьмяне розсіяння.
Кожен акт розсіяння водночас штовхає атом назад — це і є віддача. Усередині конденсату ці віддачі можуть залишатися узгодженими, підсилюючи подальше розсіяння й приводячи до експоненційного посилення процесу. У результаті формується суперрадіантний пучок фотонів. Формаджіо та Джонс запропонували, що радіоактивні атоми можуть проявити аналогічну поведінку, випромінюючи нейтрино.
Віддача руйнує квантову «пам’ять»
Кеттерле, який співвідкрив Бозе–Ейнштейнів конденсати в 1995 році та отримав за це Нобелівську премію з фізики у 2001 році, від початку сумнівався, що делікатна поведінка надхолодних атомів збережеться під час енергетично «жорстких» ядерних процесів.
Для порівняння: видимі фотони несуть близько 1 електрон-вольта енергії, тоді як нейтрино, що випромінюються при радіоактивному розпаді, можуть мати енергію приблизно у мільйон разів більшу. Це означає, що атом, який випустив нейтрино, має отримати віддачу в мільйон разів сильнішу, ніж під час взаємодії з видимим світлом.
Якщо атом після такої події ще певний час залишався б у конденсаті, його віддача могла б підтримати суперрадіацію. Але при енергіях порядку мільйона електрон-вольт швидкість віддачі виявляється настільки високою, що атом фактично миттєво «вилітає» з конденсату — на швидкості, співмірній із надзвуковою.
Щоб суперрадіація наростала, конденсат має зберігати квантову «пам’ять» про попередні акти випромінювання. Початкова пропозиція щодо нейтринного лазера виходила з того, що навіть якщо атом покидає конденсат, він лишає за собою квантовий «відбиток», який спрямує подальші розпади в тому самому напрямку.
Кеттерле з колегами перевірили це припущення на основі теоретичної моделі, що описує умови виникнення суперрадіації. Вони адаптували її до випадку радіоактивних атомів і нейтрино, врахувавши спектр енергій нейтрино, віддачу атомів, що розпадаються, та зміну динаміки самого конденсату.
Усі розглянуті сценарії провалилися: атом, який випромінює нейтрино, занадто швидко втрачає зв’язок з конденсатом, щоб утворилася необхідна квантова кореляція. Без такої «пам’яті» радіоактивні атоми продовжують розпадатися як зазвичай, не підсилюючи один одного до формування пучка.
Ферміони створюють «антипам’ять»
Навіть якби вдалось якось усунути проблему віддачі, це все одно не врятувало б ідею. У другій роботі дослідники показали, що нейтрино формують «неправильний» тип квантової пам’яті для суперрадіації. Замість того щоб збільшувати ймовірність того, що наступне нейтрино вилетить у тому ж напрямку, вже випущена частинка, навпаки, робить такий напрям менш імовірним.
Це пов’язано з тим, що нейтрино — ферміони. Усі елементарні частинки належать до одного з двох фундаментальних класів — бозонів і ферміонів. Фотони є бозонами з цілим спіном, тоді як електрони та нейтрино є ферміонами з напівцілим спіном. Відмінності в цих квантових характеристиках визначають, як частинки можуть «сусідити» одна з одною у квантовому стані.
У випадку суперрадіації ключову роль відіграють саме квантові кореляції — своєрідна «пам’ять» конденсату. Раніше припускали, що неважливо, що саме випромінюється конденсатом — бозон чи ферміон. Проте аналіз MIT показав: якщо коректно врахувати властивості ферміонів, замість позитивної пам’яті виникає «антипам’ять». Вона не підсилює, а пригнічує можливість утворення суперрадіантного пучка.
Експеримент усе ще можливий, але шанс мізерний
Попри суворі теоретичні обмеження, Джо Формаджіо, один із авторів початкової ідеї нейтринного лазера, сприймає критику як природну частину наукового процесу. Він наголошує, що нові пропозиції мають проходити ретельну перевірку спільнотою, а сама дискусія вже стимулювала подальші дослідження поза межами початкового задуму.
Кеттерле, Формаджіо та Джонс неодноразово зустрічалися, щоб детально обговорити як вихідну концепцію, так і нові заперечення. Формаджіо вважає, що в майбутньому все ж може з’явитися експеримент, покликаний перевірити ці теоретичні висновки, адже остаточне слово завжди лишається за природою.
Утім, за оцінкою Кеттерле, у випадку з нейтринними лазерами «занадто гарна, щоб бути правдою» ідея не витримала зіткнення з квантовою реальністю. Нові роботи свідчать, що поєднання потужної віддачі та ферміонної природи нейтрино робить суперрадіантний нейтринний лазер фундаментально неможливим.