فیزیکدانان MIT «لیزر نوترینو» را پیشنهاد می‌دهند؛ یک انفجار کوانتومی از نوترینوها که می‌تواند ارتباطات و فناوری پزشکی را متحول کند.

اَبَر سرد‌سازی اتم‌های رادیواکتیو می‌تواند به تولید پرتوی نوترینویی همدوس بیانجامد و برای مطالعه این ذرات گریزان و حتی ایجاد شیوه‌های نوین ارتباطی مسیر تازه‌ای بگشاید.

در هر لحظه، سیل عظیمی از نوترینوها بدون هیچ اثر قابل‌مشاهده‌ای از بدن ما و مواد پیرامون عبور می‌کنند. این ذرات شبح‌گونه که کوچک‌تر از الکترون و سبک‌تر از فوتون‌اند، فراوان ترین ذرات کلان جهان محسوب می‌شوند.

جرم دقیق نوترینو هنوز ناشناخته باقی مانده است. به دلیل اندازه بسیار کوچک و برهمکنش ضعیف با ماده، اندازه‌گیری جرم آن‌ها چالش‌برانگیز است. برای این منظور، دانشمندان از رآکتورهای هسته‌ای و شتاب‌دهنده‌های عظیم جهت تولید اتم‌های ناپایدار بهره می‌گیرند که در فرآیند واپاشی به چند فرآورده از جمله نوترینوها تجزیه می‌شوند. این تأسیسات پرتوهایی از نوترینو ایجاد می‌کنند که می تواند توسط محققان برای مطالعه ویژگی‌هایی همچون جرم مورد استفاده قرار بگیرد.

اکنون فیزیک‌دانان MIT رویکردی فشرده و کارآمد برای تولید نوترینو پیشنهاد کرده‌اند که می‌تواند روی میز آزمایش نیز پیاده‌سازی شود.

در مقاله‌ای در Physical Review Letters، آنان مفهوم «لیزر نوترینویی» را مطرح کرده‌اند؛ شلیک نوترینویی که از طریق خنک‌سازی لیزری یک گاز از اتم‌های رادیواکتیو تا دماهایی پایین‌تر از فضای میان‌ستاره‌ای ایجاد می‌شود. پیش‌بینی می‌شود که در این دماهای ابرسرد، اتم‌ها به‌صورت یک سامانه کوانتومی واحد عمل کرده و واپاشی رادیواکتیو آن‌ها به صورت همزمان رخ دهد.

واپاشی اتم‌های رادیواکتیو ذاتاً نوترینو آزاد می‌کند و در حالت همدوس کوانتومی، این واپاشی و در نتیجه تولید نوترینو شتاب می‌گیرد. این اثر کوانتومی می‌تواند به شکل‌گیری پرتو نوترینویی تقویت‌شده منجر شود؛ مشابه تقویت فوتون‌ها در لیزرهای معمولی.

بن جونز Ben Jones، نویسنده همکار این مطالعه، دارای مدرک دکترا و دانشیار فیزیک در دانشگاه تگزاس در آرلینگتون، می‌گوید: در مفهوم ما برای لیزر نوترینو، نوترینوها با سرعتی بسیار بیشتر از حالت عادی منتشر می‌شوند، تقریباً مانند لیزر که فوتون‌ها را خیلی سریع منتشر می‌کند.

به عنوان مثال، گروه با محاسبات نشان داده‌اند که می‌توان با به دام انداختن یک میلیون اتم روبیدیوم-۸۳ چنین لیزری را محقق ساخت. نیمه‌عمر معمول این ایزوتوپ حدود ۸۲ روز است، اما در حالت همدوس پیش‌بینی می‌شود که واپاشی در چند دقیقه رخ دهد. این امر روشی نوین برای شتاب‌بخشی به واپاشی رادیواکتیو و تولید نوترینوها است که پیش‌تر گزارش نشده بود.

جوزف فورماجیو Joseph Formaggio، استاد فیزیک در دانشگاه MIT و یکی از نویسندگان این مقاله، می‌گوید: این یک روش جدید برای تسریع واپاشی رادیواکتیو و تولید نوترینوها است که تا آنجا که من می‌دانم، هرگز انجام نشده است.

این تیم امیدوار است که یک نمونه کوچک رومیزی برای آزمایش ایده خود بسازد. اگر این ایده عملی شود، آنها تصور می‌کنند که می‌توان از لیزر نوترینو به عنوان شکل جدیدی از ارتباط استفاده کرد که به وسیله آن ذرات می‌توانند مستقیماً از طریق زمین به ایستگاه‌ها و زیستگاه‌های زیرزمینی ارسال شوند. لیزر نوترینو همچنین می‌تواند منبع کارآمدی از رادیوایزوتوپ‌ها باشد که همراه با نوترینوها، محصولات جانبی واپاشی رادیواکتیو هستند. چنین رادیوایزوتوپ‌هایی می‌توانند برای بهبود تصویربرداری پزشکی و تشخیص سرطان مورد استفاده قرار گیرند.

چگالش همدوس

به ازای هر اتم در جهان، حدود یک میلیارد نوترینو وجود دارد. بخش بزرگی از این ذرات نامرئی ممکن است در اولین لحظات پس از بیگ بنگ تشکیل شده باشند و در چیزی که فیزیکدانان آن را "زمینه نوترینوی کیهانی" می‌نامند، باقی می‌مانند. نوترینوها همچنین هر زمان که هسته‌های اتمی با هم ترکیب می‌شوند یا از هم جدا می‌شوند، مانند واکنش‌های همجوشی در هسته خورشید و در واپاشی طبیعی مواد رادیواکتیو، تولید می‌شوند.

چند سال پیش، فورماجیو و جونز به طور جداگانه یک احتمال جدید را در نظر گرفتند: اگر یک فرآیند طبیعی تولید نوترینو بتواند از طریق همدوسی کوانتومی افزایش یابد چه؟ کاوش‌های اولیه موانع اساسی را در تحقق این امر آشکار کرد. سال‌ها بعد، هنگام بحث در مورد خواص تریتیوم فوق سرد (ایزوتوپ ناپایدار هیدروژن که دچار واپاشی رادیواکتیو می‌شود)، آنها پرسیدند: آیا اگر اتم‌های رادیواکتیو مانند تریتیوم آنقدر سرد شوند که بتوانند به حالت کوانتومی معروف به چگالش بوز-اینشتین برسند، می‌توان تولید نوترینوها را افزایش داد؟

چگالش بوز-اینشتین یا BEC، حالتی از ماده است که وقتی گازی از ذرات خاص تا نزدیکی صفر مطلق سرد می‌شود، تشکیل می‌شود. در این نقطه، ذرات به پایین‌ترین سطح انرژی خود آورده شده و حرکت انفرادی خود را متوقف می‌کنند. در این انجماد عمیق، ذرات می‌توانند اثرات کوانتومی یکدیگر را احساس کنند و می‌توانند به عنوان یک موجودیت منسجم عمل کنند - فازی منحصر به فرد که می‌تواند منجر به فیزیک عجیب و غریب شود.

BECها در تعدادی از گونه‌های اتمی تحقق یافته‌اند. (یکی از اولین موارد با اتم‌های سدیم بود، توسط ولفگانگ کترله Wolfgang Ketterle از MIT، که جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۰۱ را به خاطر این نتیجه به اشتراک گذاشت). با این حال، هیچ کس BEC را از اتم‌های رادیواکتیو نساخته است. انجام این کار فوق‌العاده چالش برانگیز خواهد بود، زیرا اکثر رادیوایزوتوپ‌ها نیمه عمر کوتاهی دارند و قبل از اینکه بتوانند به اندازه کافی سرد شوند تا BEC تشکیل دهند، کاملاً متلاشی می‌شوند.

با این وجود، فورماجیو از خود پرسید که اگر اتم‌های رادیواکتیو بتوانند به یک BEC تبدیل شوند، آیا این امر به نحوی تولید نوترینوها را افزایش می‌دهد؟ او در تلاش برای حل محاسبات مکانیک کوانتومی، در ابتدا دریافت که چنین اثری محتمل نیست.

فورماجیو می‌گوید: «مشخص شد که این یک نکته انحرافی است - ما نمی‌توانیم فرآیند واپاشی رادیواکتیو و تولید نوترینو را فقط با ایجاد چگالش بوز-اینشتین تسریع کنیم.»

همگام با اپتیک

چند سال بعد، جونز این ایده را با یک عنصر اضافه شده، دوباره بررسی کرد: ابرتابش - پدیده‌ای از اپتیک کوانتومی که زمانی رخ می‌دهد که مجموعه‌ای از اتم‌های ساطع‌کننده نور تحریک می‌شوند تا به صورت هماهنگ رفتار کنند. در این مرحله منسجم، پیش‌بینی می‌شود که اتم‌ها باید انفجاری از فوتون‌ها را منتشر کنند که "ابرتابش" است، یا تابشی‌تر از زمانی که اتم‌ها معمولاً ناهمگام هستند.

جونز به فورماجیو پیشنهاد داد که شاید یک اثر ابرتابش مشابه در چگالش بوز-اینشتین رادیواکتیو امکان‌پذیر باشد، که می‌تواند منجر به انفجار مشابهی از نوترینوها شود. فیزیکدانان به سراغ تخته رسم رفتند تا معادلات مکانیک کوانتومی حاکم بر چگونگی تغییر شکل اتم‌های ساطع‌کننده نور از یک حالت اولیه منسجم به یک حالت ابرتابش را حل کنند. آنها از همان معادلات برای تعیین عملکرد اتم‌های رادیواکتیو در یک حالت BEC منسجم استفاده کردند.

فورماجیو توضیح می‌دهد: «نتیجه این است: شما فوتون‌های بسیار بیشتری را سریع‌تر دریافت می‌کنید، و وقتی همین قوانین را برای چیزی که به شما نوترینو می‌دهد اعمال می‌کنید، تعداد زیادی نوترینو را سریع‌تر به شما می‌دهد. این زمانی است که قطعات به هم متصل می‌شوند، آن ابرتابش در یک چگالش رادیواکتیو می‌تواند این انتشار نوترینوی شتاب‌یافته و لیزرمانند را فعال کند».

برای آزمایش مفهوم خود در تئوری، این تیم محاسبه کرد که چگونه نوترینوها از ابری از ۱ میلیون اتم روبیدیوم-۸۳ فوق‌العاده سرد تولید می‌شوند. آنها دریافتند که در حالت BEC همدوس، اتم‌ها با سرعت فزاینده‌ای دچار واپاشی رادیواکتیو می‌شوند و در عرض چند دقیقه پرتویی لیزرمانند از نوترینوها آزاد می‌کنند.

اکنون که فیزیکدانان در تئوری نشان داده‌اند که لیزر نوترینو امکان‌پذیر است، قصد دارند این ایده را با یک چیدمان کوچک رومیزی آزمایش کنند.

جونز می‌گوید: «احتمالا کافیست که این ماده رادیواکتیو را بگیریم، تبخیر کنیم، با لیزر به دام بیندازیم، خنک کنیم و سپس آن را به یک چگالش بوز-اینشتین تبدیل کنیم.» «آنگاه، باید شروع به انجام خود به خودی این ابرتابش کند».

این دو نفر اذعان دارند که چنین آزمایشی نیاز به اقدامات احتیاطی و دستکاری دقیق دارد.

فورماجیو می‌گوید: «اگر معلوم شود که می‌توانیم آن را در آزمایشگاه نشان دهیم، مردم می‌توانند به این فکر کنند: آیا می‌توانیم از این به عنوان یک آشکارساز نوترینو استفاده کنیم؟ یا یک شکل جدید از ارتباط؟» «این زمانی است که جذابیت واقعی شروع می‌شود.»

منبع:

MIT Physicists Propose First-Ever “Neutrino Laser”

ترجمه خبر: شهره کرمی