麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家提出了一種“中微子激光”，這是一種量子驅(qū)動(dòng)的中微子爆發(fā)，可以徹底改變通信和醫(yī)療技術(shù)。

將放射性原子超冷至極端低溫，可能創(chuàng)造出一種類似激光的中微子束。這或許能為研究中微子這種難以捉摸的粒子開辟一條新途徑，甚至可能催生新型通信方式。

每一瞬間，都有海量的中微子穿過(guò)我們的身體和周圍的物體而不留痕跡。這些幽靈般的粒子比電子更小，比光子更輕，是宇宙中數(shù)量最龐大的有質(zhì)量粒子。

中微子的確切質(zhì)量至今未知。因?yàn)樗鼈儤O其微小且極少與物質(zhì)相互作用，測(cè)量它們異常困難。為了探測(cè)中微子，科學(xué)家們使用核反應(yīng)堆和大型粒子加速器來(lái)制造不穩(wěn)定的原子，這些原子會(huì)衰變成若干副產(chǎn)品，其中包括中微子。這些設(shè)施產(chǎn)生的中微子束可供研究人員研究其質(zhì)量等性質(zhì)。

如今，MIT的物理學(xué)家提出了一種更緊湊、更高效的產(chǎn)生中微子的方法，該方法甚至可以在實(shí)驗(yàn)桌面上進(jìn)行。

在一篇發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》的論文中，物理學(xué)家們提出了“中微子激光”的概念——通過(guò)將放射性原子氣體激光冷卻到比星際空間更低的溫度，可能產(chǎn)生中微子爆發(fā)。研究團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)，在如此極寒的溫度下，這些原子應(yīng)表現(xiàn)為一個(gè)單一的量子實(shí)體，并同步發(fā)生放射性衰變。

放射性原子的衰變自然會(huì)釋放中微子，物理學(xué)家們認(rèn)為，在相干的量子態(tài)下，這種衰變以及中微子的產(chǎn)生過(guò)程都應(yīng)會(huì)加速。這種量子效應(yīng)應(yīng)能產(chǎn)生一個(gè)放大了的中微子束，大致類似于光子被放大以產(chǎn)生傳統(tǒng)激光的方式。

該研究的合著者、德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校物理學(xué)副教授, 2015屆博士Ben Jones說(shuō)：“在我們的中微子激光概念中，中微子的發(fā)射速率將比正常情況下快得多，有點(diǎn)像激光非常快速地發(fā)射光子。”

例如，該團(tuán)隊(duì)計(jì)算出，這樣的中微子激光可以通過(guò)捕獲100萬(wàn)個(gè)銣-83原子來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常，這種放射性原子的半衰期約為82天，意味著每82天會(huì)有一半原子衰變，并釋放出相應(yīng)數(shù)量的中微子。物理學(xué)家們證明，通過(guò)將銣-83冷卻到相干的量子態(tài)，原子衰變過(guò)程應(yīng)僅在幾分鐘內(nèi)即可完成。

合著者、MIT物理學(xué)教授Joseph Formaggio說(shuō)：“這是一種加速放射性衰變和中微子產(chǎn)生的新穎方法，據(jù)我所知，以前從未實(shí)現(xiàn)過(guò)。”

該團(tuán)隊(duì)希望建造一個(gè)小型桌面演示裝置來(lái)測(cè)試他們的想法。如果成功，他們?cè)O(shè)想中微子激光可以作為一種新的通信形式，使這些粒子能夠直接穿過(guò)地球傳輸?shù)降叵抡军c(diǎn)和棲息地。中微子激光也可能成為放射性同位素的高效來(lái)源，這些同位素與中微子一樣是放射性衰變的副產(chǎn)品。此類放射性同位素可用于增強(qiáng)醫(yī)學(xué)成像和癌癥診斷。

相干凝聚體

宇宙中每個(gè)原子對(duì)應(yīng)著約十億個(gè)中微子。這些不可見粒子中的很大一部分可能形成于大爆炸后的最初時(shí)刻，并以物理學(xué)家所謂的“宇宙中微子背景”的形式持續(xù)存在。每當(dāng)原子核聚變或裂變時(shí)，例如在太陽(yáng)核心的聚變反應(yīng)中，以及在放射性物質(zhì)的正常衰變過(guò)程中，也會(huì)產(chǎn)生中微子。

幾年前，F(xiàn)ormaggio和Jones分別思考了一個(gè)新穎的可能性：能否通過(guò)量子相干性來(lái)增強(qiáng)中微子產(chǎn)生的自然過(guò)程？初步探索揭示了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)存在根本性障礙。幾年后，在討論超冷氚（氫的一種不穩(wěn)定同位素，會(huì)發(fā)生放射性衰變）的性質(zhì)時(shí)，他們提出了一個(gè)問(wèn)題：如果能使氚等放射性原子冷卻到足以進(jìn)入稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC）的量子態(tài)，中微子的產(chǎn)生能否得到增強(qiáng)？