Физики предложили способ фокусировки призрачных нейтрино в лазерный луч, но новые расчеты Массачусетского технологического института показывают, что сильная атомная отдача и сама квантовая природа частиц не позволяют добиться такого эффекта.

Триллионы субатомных частиц ежесекундно пронизывают каждый квадратный дюйм Земли, проходя сквозь твердую породу, массивные звезды и человеческие тела, не оставляя следов. Эти частицы, известные как нейтрино, имеют почти нулевую массу и настолько слабо взаимодействуют с обычной материей, что с момента их открытия в 1956 году физики с трудом могли их обнаружить, не говоря уже о том, чтобы направить их в сфокусированный пучок.

В прошлом году профессор физики Массачусетского технологического института Джо Формаджо и Бен Джонс, который тогда был доцентом Техасского университета в Арлингтоне, а сейчас работает в Манчестерском университете, предложили теоретический способ преодоления этого физического барьера.

Они предположили, что охлаждение облака радиоактивных атомов до нанокельвиновых температур, составляющих одну миллиардную от температуры межзвездного пространства, приведет к тому, что движение атомов будет полностью определяться квантовой неопределенностью, а не тепловым излучением. При такой экстремально низкой температуре атомы образуют конденсат Бозе — Эйнштейна, который ведет себя как единое квантово-коррелированное целое.

Формаджо и Джонс предположили, что если бы удалось перевести радиоактивные атомы в такое состояние, то их распад мог бы синхронизироваться благодаря квантовому эффекту, известному как сверхизлучение. Вместо того чтобы испускать нейтрино независимо друг от друга в случайных направлениях, атомы могли бы ускорять распад друг друга и концентрировать частицы в луч, подобный лазерному. Согласно одному из предложенных сценариев, период полураспада радиоактивных атомов рубидия сократился бы с 86 дней до одной минуты. Пока никому не удалось создать конденсат Бозе — Эйнштейна из радиоактивных атомов.

Два препятствия на пути к созданию нейтринного лазера

Физики из Массачусетского технологического института пришли к выводу, что эта схема не может работать. В двух статьях, опубликованных в Physical Review Letters, Вольфганг Кеттерле, профессор физики в Массачусетском технологическом институте, и постдоки Ханчжэнь Линь и Юй-Кунь Лу выявили два отдельных препятствия. Одно из них связано с сильной отдачей, возникающей при выходе нейтрино из атома. Другое — с самими нейтрино, которые относятся к классу частиц, называемых фермионами.

«Эти две статьи — своего рода удар под дых и второй удар, — говорит Кеттерле. — Каждая из них могла бы поставить крест на предложении».

Ранее сверхизлучение было продемонстрировано на примере фотонов. Когда лазерное излучение попадает в конденсат Бозе — Эйнштейна, ультрахолодные атомы могут синхронизировать свое рассеяние таким образом, что фотоны выходят в одном направлении. При комнатной температуре фотоны рассеивались бы хаотично, и от них исходило бы лишь рассеянное свечение.

Каждое событие рассеяния также приводит к тому, что атом отскакивает назад. Внутри конденсата эти отскоки могут оставаться синхронизированными, усиливая дальнейшее рассеяние и вызывая экспоненциальный рост процесса. В результате получается сверхизлучающий пучок фотонов. Формаджо и Джонс предположили, что аналогичный эффект могут вызывать радиоактивные атомы, поскольку при распаде они выделяют нейтрино.

Отдача нейтрино стирает квантовую память

Кеттерле, который в 1995 году стал одним из первооткрывателей бозе-эйнштейновского конденсата и в 2001 году получил Нобелевскую премию по физике за соответствующую работу, скептически относился к тому, что хрупкое поведение ультрахолодных атомов может выдержать энергию, высвобождающуюся при ядерном распаде.

«По моему опыту, конденсат может делать удивительные вещи при низких энергиях — сверхтекучесть, вихри, — и если бы вы заговорили в комнате, заполненной конденсатом, вам понадобился бы час, чтобы услышать мой голос». Вот насколько медленным является конденсат, — говорит Кеттерле. — И я всегда приходил к выводу, что при любых резких процессах, таких как ядерные реакции, конденсат ничего не сделает.

Видимые фотоны несут около 1 электронвольта энергии. Нейтрино, испускаемые при радиоактивном распаде, могут нести примерно в миллион раз больше энергии. Эта огромная разница означает, что атом, испускающий нейтрино, должен отскакивать примерно в миллион раз сильнее, чем атом, взаимодействующий с видимым светом.

«Пока атом, получивший отдачу, остается в конденсате, он может сделать его сверхизлучающим, — говорит Кеттерле. — Но когда нейтрино испускается с энергией в миллион электронвольт, атом отскакивает со скоростью, эквивалентной 10 Махам, то есть быстрее, чем истребитель. Это настолько быстро, что атом практически мгновенно исчезает».

Для возникновения сверхизлучения конденсат должен сохранять квантовую память о предыдущих излучениях. Идея нейтринного лазера заключалась в том, что даже после того, как атом отскакивает, он оставляет след, который побуждает последующие атомы испускать нейтрино в том же направлении.

Кеттерле и его коллеги проверили это предположение с помощью теоретической модели, описывающей условия, необходимые для сверхизлучения. Они адаптировали модель для радиоактивных атомов и нейтрино, учтя диапазон энергий нейтрино, отдачу распадающихся атомов и изменяющуюся динамику конденсата.

Все проанализированные ими сценарии оказались неудачными. Отскочивший атом покидал конденсат слишком быстро, чтобы успел сформироваться необходимый квантовый отпечаток. Без этой памяти радиоактивные атомы продолжали бы испускать нейтрино в обычном режиме, а не усиливать друг друга, превращая в пучок.

Фермионы обращают вспять эффект памяти

Даже устранение этой проблемы с отскоком не спасло бы концепцию. Во второй статье было показано, что нейтрино создают квантовую память, не подходящую для суперизлучения. Вместо того чтобы побудить конденсат испустить еще одно нейтрино в том же направлении, испущенное нейтрино сделало бы последующее испускание в этом направлении менее вероятным.

Такое изменение происходит из-за того, что нейтрино является фермионом. Фермионы и бозоны — это два фундаментальных класса частиц, из которых состоит материя. Фотоны — это бозоны с целым спином, а такие частицы, как электроны и нейтрино, — фермионы с полуцелым спином. Эти различные квантовые свойства определяют поведение частиц по отношению друг к другу.

«Сверхизлучение связано с эффектом памяти или квантовыми корреляциями в конденсате. И в этом контексте считалось, что независимо от того, что испускается из конденсата, это может быть как бозон, так и фермион, — объясняет Кеттерле. — Но мы проанализировали этот вопрос, и если правильно описать испускаемые фермионы, то получится антипамять, которая не позволяет конденсату ускоряться в сверхизлучательной форме». Скорее, у него есть память, чтобы этого не делать».

Эксперимент все же можно было бы провести

Формаджо, который участвовал в разработке первоначального предложения, считает, что это вызов — часть обычного процесса проверки новых идей.

«Когда появляется новая идея — такая, как та, что предложили мы, — сообщество обязано тщательно ее изучить. Таков научный процесс, — говорит Формаджо. — Действительно, было здорово увидеть, как наша статья побудила многих задуматься о том, что выходит за рамки нашей первоначальной концепции». Мы подозреваем, что так будет и дальше».

Кеттерле, Формаджо и Джонс неоднократно встречались, чтобы обсудить первоначальное предложение и возражения, возникшие в связи с новыми исследованиями. Формаджо по-прежнему допускает возможность проведения экспериментальной проверки.

«Я подозреваю, что когда-нибудь кто-нибудь проведет этот эксперимент, — говорит Формаджо. — Природа, как всегда, является окончательным арбитром в таких вопросах. И здесь я не могу не отметить, что все предыдущие предположения о нейтрино оказались неверными. Единственное, что в нейтрино никогда не удивляет физиков, — это то, что они всегда удивляют».

«Чтобы раскрыть секреты природы, нужны творческие идеи и дискуссии среди ученых», — говорит Кеттерле. «Но в случае с нейтринными лазерами результат оказался слишком хорош, чтобы быть правдой».