Žao nam je, ovaj neutrinski laser neće raditi, kažu fizičari

Neutrini su svuda prisutne, ali neuhvatljive čestice koje prožimaju univerzum, prolazeći kroz cele planete, zvezde i naša tela u bilionima svake sekunde. Ove elementarne čestice se često opisuju kao „fantomske“ zbog svoje mase bliske nuli i nedokučive prirode, pošto imaju vrlo malu interakciju sa normalnom materijom.

Otako su otkrivene 1956. godine, neutrini nastavljaju da iznenađuju fizičare svojim neočekivanim svojstvima i ponašanjima. Na primer, ove čestice imaju više „aroma“ i mogu se preobražavati iz jedne u drugu. Neutrini takođe mogu biti sopstvene antičestice, u kvantnoj dualnosti poput Džekila i Hajda. Takođe, njihove krajnje slabe interakcije čine da ih je skoro nemoguće detektovati.

Preporučujemo

Prošle godine, izgleda da su naučnici doprineli mističnosti ovih čestica sa konceptom za neutrinske lasere. Rekli su da bi se koncentrisani snop neutrina mogao proizvesti hlađenjem oblaka radioaktivnih atoma do nanokelvinskih temperatura, što je milijarditi deo temperature međuzvezdanog prostora.

Usporeni skoro do zamrzavanja, atomi bi formirali Boze-Ajnštajnov kondenzat i trebalo bi da deluju kao jedna kvantna, koherentna celina, ubrzavajući i pojačavajući svoj radioaktivni raspad. Fizičari su pretpostavili da bi neutrini, kao prirodni nusproizvod radioaktivnog raspada, takođe trebalo da budu pojačani i da bi takav proces trebalo da emituje snop ovih fantomskih čestica sličan laserskom.

Međutim, noviji rad fizičara sa Masačusetskog instituta za tehnologiju (MIT) pokazuje da je koncept neutrinskog lasera, kao i sličan predlog za gama-zrake, nemoguć. Dvodelna analiza demonstrira da su oba koncepta fizički i fundamentalno nemoguća. Preciznije, pokazali su da je koncept neutrinskog lasera pogrešan zbog „odskakanja“ (tj. kinetičke energije koju stvara reakcija) i fundamentalne „fermionske“ prirode neutrina.

Kvantni pojačavač

Predlog za neutrinski laser bio je zasnovan na ideji „superradijantnosti“ — kvantnom efektu pojačavanja koji je bio posmatran samo kod fotona.

Jedan oblik superradijantnosti javlja se kad se oblak atoma ohladi blizu apsolutne nule, na kojoj tački kretanje atoma nije određeno toplotnim efektima, već čisto kvantnom neizvesnošću. U ovom stanju skoro mirovanja, poznatom kao „Boze-Ajnštajnov kondenzat“ (BEC), atomi se kreću sinhronizovano kao kvantno korelirana celina.

Ako se fotoni ubacuju u kondenzat kao laserski snop, atomi se sinhronizuju da rasprše fotone nazad u istom pravcu. Nasuprot tome, oblak atoma na sobnoj temperaturi jednostavno bi raspršio fotone u nasumičnim pravcima, stvarajući, u najboljem slučaju, blag sjaj. Dok se fotoni raspršuju sa atoma, atomi bi trebalo da „odskoče“, kao da su fizički potisnuti unazad usled udara.

U BEC-u, pošto atomi odskaču sinhronizovano, brzina kojom raspršuju fotone u istom pracu raste eksponencijalno. Ovaj efekat pojačavanja rezultira „superradijantnim“ laserom fotona, što su naučnici osmotrili.

Predlog je sugerisao da bi isti superradijantni efekat mogao biti moguć za radioaktivne atome, koji prirodno emituju neutrine dok se raspadaju. Ako bi oblak radioaktivnih atoma bio ohlađen da formira Boze-Ajnštajnov kondenzat, sličan efekat pojačavanja bi trebalo da nastupi i generiše koncentrisani snop neutrina dok se atomi raspadaju sinhronizovano.

Ilustracija je bio scenario u kom bi oblak radioaktivnih atoma rubidijuma, kad se ohladi u BEC, ubrzao svoj radioaktivni raspad od 86 dana poluraspada do jednog minuta.

Niko nije napravio BEC od radioaktivnih atoma. Međutim, ako bi se to moglo uraditi, to kvantno stanje bi, u teoriji, trebalo da proizvede neutrinski laser.

Instant odskok

Stručnjaci iz MIT-a su otkrili mnoga iznenađujuća svojstva Boze-Ajnštajnovih kondenzata i druge ultrahladne materije, gde je energija atoma na najnižem nivou.

U poređenju sa vidljivim fotonima, koji imaju energiju od 1 elektronvolt, neutrini se prirodno emituju pri raspadanju atoma sa milion puta više energije. Kad neutrino izleti iz atoma, ta emisija bi trebalo da izazove odskakanje atoma milion puta snažnije nego u slučaju vidljivih fotona.

„Sve dok odskačući atom ostaje u kondenzatu, može učiniti kondenzat superradijantnim“, kažu istraživači. „Međutim, kad se neutrino emituje pri milion elektronvolti, atom odskače brzinama ekvivalentnim vrednosti Mah 10, brže od lovačkog aviona. Ovo je toliko brzo da bi atom nestao gotovo u trenutku“.

Ipak, ideja neutrinskog lasera pretpostavljala je da bi odbegli atom trebalo da ostavi neku vrstu kvantnog otiska u kondenzatu, govoreći kondenzatu kao celini da emituje buduće neutrine u istom pravcu kao laser.

Novi rad, međutim, pokazuje u teorijskoj analizi da to nije slučaj. Razmotrili su model koji opisuje superradijantnost. Ovaj model određuje uslove koji bi doveli do superradijantnosti fotona. Model je primenjen na slučaj radioaktivnih atoma i neutrina, uzimajući u obzir opseg energija na kojima se čestice emituju, kao i rezultujući odskok raspadajućeg atoma i dinamiku kondenzata.

Kalkulacije su pokazale da, u svakom razmotrenom scenariju, superradijantnost nije moguća. Atom je jednostavno odskakao previše brzo da bi se napravio bilo kakav kvantni otisak. Bilo je to kao da je kondenzat u momentu izgubio „sećanje“ na emitovani neutrino i stoga bi nastavio da emituje neutrine onako kako bi atomi to normalno radili, bez pojačanja.

Antimemorija

Istraživači iz MIT-a su takođe pokazali da je, pored toga što je nemoguć zbog efekta odskakanja, koncept neutrinskog lasera pogrešan zbog fundamentalne prirode neutrina.

Otkrili su da čak i ako bi odskačući atom ostavio kvantni otisak u kondenzatu, taj otisak ne bi bio o tome šta treba sledeće emitovati, već šta ne treba emitovati. Drugačije rečeno, pamćenje o emitovanom neutrinu reklo bi kondenzatu da sledeći neutrino emituje u bilo kom drugom pravcu, sprečavajući stvaranje usmerenog neutrinskog snopa. Istraživači su pokazali da je ovo suprotstavljeno pamćenje, ili „antikorelacija“, rezultat činjenice da je neutrino u suštini fermion.

Fermioni i bozoni su dve fundamentalne klase čestica koje sačinjavaju svu materiju u svemiru. Bozoni su čestice sa celim spinovima, kao što su fotoni. Nasuprot tome, fermioni, kao što su elektroni i neutrini, imaju polucele spinove. To da li čestica ima ceo ili poluceo spin određuje kako reaguje na kvantnom nivou sa drugim česticama.

„Kod superradijantnosti se radi o efektu pamćenja, ili kvantnim korelacijama u kondenzatu. U tom kontekstu, ljudi su mislili da šta god da se emituje iz kondenzata – nije važno da li je bozon ili fermion. Međutim, ako to ispravno opišete za emitovane fermione, dobijate antipamćenje, zbog kog se kondenzat ne ubrzava u superradijantnom obliku. Naprotiv, ima pamćenje da to ne radi“, kažu istraživači.

Međutim, svako prethodno predviđanje o neutrinima je bilo pogrešno. Jedina stvar u vezi sa neutrinima koja nikad ne iznenađuje fizičare jeste da oni uvek iznenade, kažu naučnici. U slučaju neutrinskih lasera, iznenađenje je suviše dobro da bi bilo istinito.

(Telegraf Nauka/Phys.org)