Команда фізиків з Массачусетського технологічного інституту (MIT) показала, що нейтринний лазер, запропонований лише рік тому, у принципі не може бути реалізований. У двох статтях у журналі Physical Review Letters вони доводять, що така установка, навіть за будь-якого рівня розвитку технологій, є фізично та фундаментально неможливою. Про це йдеться в матеріалі Sci.News.
Як мала працювати ідея нейтринного лазера
У 2025 році професор MIT Джо Формаджіо (Joe Formaggio) та Бен Джонс (Ben Jones) з Техаського університету в Арлінгтоні запропонували концепцію лазера, який випромінює пучок нейтрино. Ідея виглядала елегантною та амбітною.
За задумом, хмару радіоактивних атомів потрібно охолодити до наднизьких температур — порядку нанокельвінів, тобто до мільярдної частки температури міжзоряного простору. У таких умовах атоми мали б утворити Бозе-Айнштайнівський конденсат — квантовий стан, у якому вони поводяться як єдине узгоджене ціле.
У цьому стані, припускали автори ідеї, радіоактивний розпад атомів мав би різко прискоритися, а нейтрино, що виникають як побічний продукт, вийшли б у вигляді щільного, спрямованого пучка, подібного до лазерного. Це також мало б суттєво скоротити періоди напіврозпаду радіоактивних ядер.
Чому концепція не працює
Нобелівський лауреат, професор MIT Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle), який у 1995 році став одним із відкривачів Бозе-Айнштайнівських конденсатів, засумнівався в реалізовності цієї схеми. Разом із фізиками Ханьчженем Лінем (Hanzhen Lin) та Ю-Куном Лу (Yu-Kun Lu) він провів детальний теоретичний аналіз.
У першій роботі дослідники показали, що ключова перешкода пов’язана з енергією нейтрино. Ці частинки випромінюються з енергією приблизно у мільйон разів більшою, ніж видимі фотони в звичайних лазерах. Через це атом, який випускає нейтрино, отримує потужний відбій і відлітає зі швидкістю, еквівалентною приблизно Маху 10 — швидше за реактивний винищувач.
Такий атом практично миттєво залишає конденсат. А це означає, що він не встигає залишити в ньому квантовий «відбиток», необхідний для підсилення випромінювання за типом суперрадіації, на якій ґрунтується робота звичайних лазерів.
За словами професора Кеттерле, поки атом, що відбився, залишається в конденсаті, він може зробити його суперрадіантним. Але при енергіях нейтрино порядку мільйона електронвольт атом відлітає настільки швидко, що фактично миттєво зникає з конденсату, руйнуючи необхідну колективну квантову поведінку.
Ферміонна природа нейтрино проти лазера
У другій роботі команда розглянула навіть ідеалізований сценарій, у якому припустили, що певний квантовий «відбиток» у конденсаті все ж може сформуватися. Виявилося, що навіть тоді система поводилася б протилежно до очікувань.
Замість того щоб «підказувати» конденсату випромінювати наступні нейтрино в тому самому напрямку, цей відбиток давав би сигнал на випромінювання в протилежний бік. Тобто замість наростання спрямованого пучка виникала б анти-кореляція, яка заважала б формуванню будь-якого лазероподібного променя.
Фізики пов’язують цю поведінку з тим, що нейтрино належать до класу ферміонів — частинок, до яких також належать електрони. Ферміони підкоряються іншим квантовим правилам, ніж фотони, які є бозонами і саме завдяки цьому можуть утворювати суперрадіантні лазери. Для нейтрино така колективна лазерна поведінка виявляється принципово недосяжною.
Професор Кеттерле порівняв дві статті зі «своєрідним першим і другим ударом»: кожна з них окремо вже достатня, щоб зруйнувати початкову пропозицію нейтринного лазера. Разом вони формують послідовний аргумент про його фундаментальну неможливість, так само як і подібної схеми для гамма-випромінювання.
Науковий процес у дії
Співавтор початкової ідеї Джо Формаджіо наголосив, що після появи нової концепції наукова спільнота має обов’язок ретельно її перевірити. Саме так працює наука: пропозиції піддаються критиці, уточнюються або відкидаються, якщо суперечать фундаментальним законам.
Він зазначив, що радий тому, як їхня початкова робота стимулювала подальші роздуми та дослідження, які вийшли далеко за межі початкового задуму. На думку Формаджіо, така дискусія й надалі сприятиме кращому розумінню квантових систем, Бозе-Айнштайнівських конденсатів і меж можливого для майбутніх квантових технологій.