中微子激光！

宇宙中的神秘幽靈

每一秒，都有數(shù)以萬億計的中微子穿過我們的身體，但我們卻毫無察覺。這種基本粒子也被稱為“幽靈粒子”，它們幾乎不與物質(zhì)相互作用，這使得想要捕捉并測量它們的性質(zhì)（比如質(zhì)量）非常困難。

通常，物理學家需依靠核反應堆或大型粒子加速器來產(chǎn)生不穩(wěn)定的原子。這些原子在衰變時會產(chǎn)生各種副產(chǎn)物，其中就包括中微子。通過這種方式，物理學家能夠制造出中微子束，然后對其進行研究，從而推測包括質(zhì)量在內(nèi)的各種性質(zhì)。

現(xiàn)在，在一項新發(fā)表于《物理評論快報》的研究中，物理學家Joseph Formaggio和Ben Jones提出了一個產(chǎn)生中微子的全新思路——中微子激光。他們的方案能夠產(chǎn)生一束強烈且相干的中微子流，有望成為推動中微子研究的顛覆性工具。

中微子激光的奇思妙想

這一奇思妙想運用了量子物理學中的兩個重要概念——玻色–愛因斯坦凝聚（BEC）和超輻射。

玻色–愛因斯坦凝聚

BEC是一種奇特的物質(zhì)狀態(tài)：當某些粒子組成的氣體被冷卻到接近絕對零度時，它們會降到最低能級，個體運動幾乎消失，轉(zhuǎn)而可以開始“感受到”彼此的量子特性，表現(xiàn)為一個連貫的整體。在這種相干狀態(tài)下，物質(zhì)會呈現(xiàn)出奇異的物理現(xiàn)象。

BEC已經(jīng)在鈉等多種原子體系中實現(xiàn)。不過，目前還沒有人成功用放射性原子制造BEC——因為多數(shù)放射性同位素的壽命極短，往往在冷卻完成之前就已經(jīng)全部衰變了。

因此，F(xiàn)ormaggio想：如果真的能讓放射性原子進入BEC狀態(tài)，那么這是否會以某種方式增強中微子的產(chǎn)生？但最初的計算結(jié)果是令人失望的，他發(fā)現(xiàn)僅通過制造BEC，并不能加速放射性衰變或增強中微子的產(chǎn)生。

超輻射

幾年后，Jones重新思考了這個問題，并在思考中加入了另一個重要因素——超輻射。這是一種量子光學現(xiàn)象，當一群發(fā)光的原子被激發(fā)后進入完全同步的狀態(tài)時，它們會集體釋放出一股“超輻射”光子，比原子各自獨立發(fā)光時更強烈。

Jones由此提出：如果在放射性BEC中也能發(fā)生類似的超輻射效應，是否就能引發(fā)一次“中微子爆發(fā)”？

于是，他們開始推導相關(guān)的量子力學方程，以研究發(fā)光原子如何從起始的相干態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌椛鋺B(tài)。接著，他們再用同樣的方程計算出放射性原子在相干BEC態(tài)下的行為。

結(jié)果顯示：在超輻射中，你可以更快地得到更多光子；如果把同樣的機制應用到中微子身上，你就能更快獲得更多的中微子。這意味著，在放射性凝聚體中發(fā)生的超輻射，完全有可能讓中微子的發(fā)射變得加速，并且像激光一樣集中且強烈。

理論驗證：銣-83的量子實驗

為驗證這一設(shè)想，他們計算了由100萬個超冷銣-83原子組成的原子云在相干BEC態(tài)下的表現(xiàn)。

上圖：在高溫下，銣原子通過電子俘獲發(fā)生放射性衰變，釋放出的中微子彼此無相干性。下圖：在足夠低的溫度下，銣原子形成玻色–愛因斯坦凝聚，可作為一種“中微子激光”，發(fā)射出明亮、相干且具方向性的中微子束。（圖/APS/Alan Stonebraker）

在正常情況下，銣-83的半衰期約為82天，也就是說，需要82天才有一半的原子衰變并釋放出相應數(shù)量的中微子。

但他們的計算結(jié)果顯示：如果這些銣-83原子被冷卻至相干BEC態(tài)下，它們的放射性衰變速率顯著加快，可以在短短幾分鐘內(nèi)釋放出一束類似激光的中微子。

從實驗桌面到宇宙深處

中微子是宇宙中最豐富的具有質(zhì)量的粒子，但我們對它們?nèi)灾跎佟Ｐ卵芯刻峁┝艘环N全新的方式來加速放射性衰變和中微子的產(chǎn)生。如今，這種方法的可行性已經(jīng)在理論上得到證明。研究團隊計劃用一個小型桌面裝置來進行實驗驗證。

如果這一設(shè)想真的能在實驗中實現(xiàn)，中微子激光將為科學與應用開辟全新的可能性。它或許能夠成為一種前所未有的通信手段，由于中微子幾乎不受物質(zhì)阻礙，信號可以直接穿透地球，到達地下設(shè)施或遠距離空間站。同時，中微子激光還可能成為放射性同位素的高效來源，而這些同位素作為衰變的副產(chǎn)物，在醫(yī)學成像和癌癥診斷中具有重要價值。更進一步，它甚至有望發(fā)展為新型中微子探測器，幫助科學家更深入地揭示這種幽靈般粒子的奧秘。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2025/physicists-devise-idea-lasers-shoot-beams-neutrinos-0908

https://physics.aps.org/articles/v18/157

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/l3c1-yg2l

#圖片來源：

封面圖&首圖：Placidplace / Pixabay