麻省理工学院物理学家提出首个“中微子激光”
过冷放射性原子可以产生类似激光的中微子束，有可能为研究这些难以捉摸的粒子开辟一条新途径，甚至实现新的通信形式。
每时每刻，中微子洪流都会穿过我们的身体和周围的物体，不留痕迹。这些幽灵状粒子比电子小，比光子轻，是宇宙中最丰富的大质量粒子。
中微子的确切质量仍然未知。由于它们很微小，并且很少与物质相互作用，因此测量它们非常具有挑战性。为了探测这一点，科学家们使用核反应堆和大粒子加速器来制造不稳定的原子，这些原子衰变成包括中微子在内的多种副产品。这些设施产生中微子束，研究人员可以研究质量等特性。
麻省理工学院的物理学家现在描述了一种更紧凑、更高效的中微子生产方法，可以在桌面上进行。
在发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，物理学家们介绍了“中微子激光器”的概念——一种中微子爆发，可以通过激光冷却放射性原子气体降低到比星际空间更低的温度来产生。在如此寒冷的温度下，该团队预测原子应该表现为一个量子实体，并同步放射性衰变。
放射性原子的衰变自然会释放中微子，物理学家说，在相干的量子态下，这种衰变应该会加速，同时中微子的产生。这种量子效应应该产生放大的中微子束，与光子被放大以产生传统激光的方式大致相似。
“在我们对中微子激光器的概念中，中微子的发射速度将比平时快得多，有点像激光发射光子的速度非常快，”研究合著者、德克萨斯大学阿灵顿分校物理学副教授 Ben Jones 博士 '15 说。
例如，该团队计算出，这种中微子激光器可以通过捕获 100 万个铷 83 原子来实现。通常，放射性原子的半衰期约为 82 天，这意味着一半的原子每 82 天衰变一次，释放出等量的中微子。物理学家表明，通过将铷 83 冷却到相干的量子态，原子应该会在短短几分钟内发生放射性衰变。
“这是一种加速放射性衰变和中微子产生的新方法，据我所知，从未这样做过，”合著者、麻省理工学院物理学教授约瑟夫·福尔马乔说。
该团队希望建立一个小型桌面演示来测试他们的想法。如果它有效，他们设想中微子激光器可以用作一种新的通信形式，通过这种通信形式，粒子可以直接通过地球发送到地下站和栖息地。中微子激光器也可以成为放射性同位素的有效来源，放射性同位素与中微子一起是放射性衰变的副产品。这种放射性同位素可用于增强医学成像和癌症诊断。
相干冷凝水
宇宙中的每个原子，大约有十亿个中微子。这些看不见的粒子中有很大一部分可能是在大爆炸后的最初时刻形成的，并且它们一直存在于物理学家所说的“宇宙中微子背景”中。每当原子核聚变在一起或破裂时，例如在太阳核心的聚变反应和放射性物质的正常衰变中，也会产生中微子。
几年前，Formaggio 和 Jones 分别考虑了一种新的可能性：如果可以通过量子相干性增强中微子产生的自然过程会怎样？最初的探索揭示了实现这一目标的基本障碍。多年后，在讨论超冷氚（一种经历放射性衰变的氢的不稳定同位素）的特性时，他们问道：如果氚等放射性原子可以变得如此之冷，以至于可以将它们带入称为玻色-爱因斯坦凝聚态的量子态，中微子的产生是否会增强？
玻色-爱因斯坦凝聚态或 BEC 是当某些粒子的气体冷却到接近绝对零度时形成的物质状态。此时，粒子被降低到最低能级并停止作为个体移动。在这种深度冻结中，粒子可以开始“感受”彼此的量子效应，并且可以作为一个连贯的实体——一个独特的相，可以产生奇异的物理学。
BECs已经在许多原子物种中实现。（最早的例子之一是麻省理工学院的沃尔夫冈·凯特勒 （Wolfgang Ketterle） 的钠原子，他凭借这一结果获得了 2001 年诺贝尔物理学奖。然而，没有人用放射性原子制造 BEC。这样做将非常具有挑战性，因为大多数放射性同位素的半衰期很短，并且在充分冷却形成 BEC 之前会完全衰变。
尽管如此，福尔马乔想知道，如果放射性原子可以制成 BEC，这会以某种方式增强中微子的产生吗？在试图进行量子力学计算时，他最初发现不太可能产生这种影响。
“事实证明，这是一个红鲱鱼——我们无法仅仅通过制造玻色-爱因斯坦凝聚体来加速放射性衰变和中微子产生的过程，”福尔马乔说。
与光学同步
几年后，琼斯重新审视了这个想法，并添加了一个成分：超辐射——一种量子光学现象，当发光原子的集合受到刺激以同步行为时就会发生。在这个相干阶段，预计原子应该会发射出“超辐射”的光子爆发，或者比原子通常不同步时的辐射度更高。
琼斯向福尔马乔提出，也许在放射性玻色-爱因斯坦凝聚体中可能会产生类似的超辐射效应，这可能会导致类似的中微子爆发。物理学家们开始绘制量子力学方程，控制发光原子如何从相干起始态演变为超辐射态。他们使用相同的方程来计算相干 BEC 态的放射性原子会做什么。
“结果是：你更快地获得更多的光子，当你对给你中微子的东西应用相同的规则时，它会更快地给你更多的中微子，”Formaggio 解释道。那时，这些碎片咔哒一声地结合在一起，放射性凝聚物中的超辐射可以实现这种加速的、类似激光的中微子发射。
为了在理论上检验他们的概念，该团队计算了中微子将如何从100万个过冷的铷83原子云中产生。他们发现，在相干 BEC 状态下，原子以加速的速度放射性衰变，在几分钟内释放出类似激光的中微子束。
现在物理学家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：“将这种放射性物质蒸发，用激光捕获，冷却，然后将其变成玻色-爱因斯坦凝聚体就足够了。“然后它应该自发地开始做这种超辐射。”
两人承认，这样的实验需要采取一些预防措施和仔细作。
“如果事实证明我们可以在实验室中展示它，那么人们可以思考：我们可以将其用作中微子探测器吗？还是一种新的交流方式？福尔马乔说。“那是乐趣真正开始的时候。”