麻省理工物理学家提出首个“中微子激光”概念

相干凝聚体

宇宙中每个原子对应着约十亿个中微子。这些不可见粒子中的很大一部分可能形成于大爆炸后的最初时刻，并以物理学家所谓的“宇宙中微子背景”的形式持续存在。每当原子核聚变或裂变时，例如在太阳核心的聚变反应中，以及在放射性物质的正常衰变过程中，也会产生中微子。

几年前，福尔马焦和琼斯分别思考了一个新颖的可能性：能否通过量子相干性来增强中微子产生的自然过程？初步探索揭示了实现这一目标存在根本性障碍。几年后，在讨论超冷氚（氢的一种不稳定同位素，会发生放射性衰变）的性质时，他们提出了一个问题：如果能使氚等放射性原子冷却到足以进入称为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）的量子态，中微子的产生能否得到增强？

玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）是某种粒子气体被冷却到接近绝对零度时形成的一种物质状态。此时，粒子被降至最低能级，并停止作为个体运动。在这种深度冷冻状态下，粒子可以开始“感知”彼此的量子效应，并可以作为一个相干的整体行动——这是一个可以产生奇异物理现象的独特相。

BEC已在多种原子物种中实现。（最早的实例之一是由MIT的沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle）用钠原子实现的，他因此分享了2001年诺贝尔物理学奖。）然而，尚未有人用放射性原子制成BEC。这样做将异常具有挑战性，因为大多数放射性同位素半衰期很短，在它们被充分冷却形成BEC之前就会完全衰变。

尽管如此，福尔马焦思考，如果放射性原子能够制成BEC，是否会以某种方式增强中微子的产生？在尝试进行量子力学计算时，他最初发现这种效应不太可能存在。

福尔马焦说：“结果证明这是个误导——我们不能仅仅通过制造玻色-爱因斯坦凝聚体来加速放射性衰变和中微子产生的过程。”

与光学同步

几年后，琼斯重新审视了这个想法，并增加了一个要素：超辐射（superradiance）——一种量子光学现象，当一组发光原子被刺激以同步方式行为时发生。在这种相干相中，预计原子应发射出“超辐射”的光子爆发，即比它们通常不同步时辐射更强。

琼斯向福尔马焦提出，也许在放射性玻色-爱因斯坦凝聚体中也可能产生类似的超辐射效应，从而可能导致类似的中微子爆发。两位物理学家着手研究支配发光原子如何从相干起始态转变为超辐射态的量子力学方程。他们使用相同的方程来计算处于相干BEC态的放射性原子会如何行为。

福尔马焦解释说：“结果是：你能更快地得到多得多的光子，当你将同样的规则应用于产生中微子的东西时，它也会让你更快地得到多得多的中微子。就在那时，各个部分串联起来了，放射性凝聚体中的超辐射可以实现这种加速的、类似激光的中微子发射。”

为了在理论上测试他们的概念，该团队计算了如何从100万个超冷铷-83原子云中产生中微子。他们发现，在相干的BEC态下，原子以加速的速率发生放射性衰变，在几分钟内释放出类似激光的中微子束。

既然物理学家们已经在理论上证明了中微子激光是可能的，他们计划用一个小型桌面装置来测试这个想法。

琼斯说：“这应该足以做到：取这种放射性材料，将其汽化，用激光阱捕获它，将其冷却，然后将其转变为玻色-爱因斯坦凝聚体。然后它应该会自发地开始这种超辐射。”

两人承认，这样的实验需要采取多项预防措施并进行精细操作。

“如果我们最终能在实验室里展示它，那么人们就可以思考：我们能把它用作中微子探测器吗？或者作为一种新的通信形式？”福尔马焦说。“那才是真正有趣的开始。”