中微子激光展望

中國(guó)原子能科學(xué)研究院 周書(shū)華 編譯自Kyle G. Leach. Physics， September 8，2025

本文選自《物理》2025年第10期

中微子可通過(guò)放射性同位素衰變產(chǎn)生。這樣產(chǎn)生的低能中微子缺乏對(duì)發(fā)射時(shí)間和方向的控制。此外，這些稀有衰變只能產(chǎn)生少量的中微子。

光子激光通過(guò)受激輻射產(chǎn)生相干光，這些光子的能量和方向都相同。光子是玻色子，可以共享同一個(gè)量子態(tài)，而中微子是費(fèi)米子，受到泡利原理的阻止而不能處于同一量子態(tài)。此外，光子與原子的耦合非常強(qiáng)，而中微子與原子的相互作用非常弱，因此受激輻射基本上不可能實(shí)現(xiàn)。美國(guó)德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校的 Benjamin Jones 和麻省理工學(xué)院的 Joseph Formaggio 基于超輻射現(xiàn)象提出了一種突破這些障礙的方法。

超輻射是指一群相同的原子集體發(fā)生的輻射，所產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度和相干性遠(yuǎn)超過(guò)單個(gè)原子發(fā)射的總和。超輻射現(xiàn)象在光子中已被廣泛演示，擴(kuò)展到中微子并無(wú)根本性障礙：該效應(yīng)不依賴于發(fā)射粒子的統(tǒng)計(jì)特性，而依賴于發(fā)射體的統(tǒng)計(jì)特性。在玻色—愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)(BEC)中，原子本身占據(jù)相同的量子態(tài)，這使得中微子集體發(fā)射成為可能。

按照 Jones 和 Formaggio 基于超輻射的想法，需要由放射性銣-83(83Rb)原子組成的BEC，這些原子通過(guò)核的電子俘獲衰變，即一個(gè)原子的內(nèi)殼層電子被核內(nèi)的質(zhì)子吸收，將其轉(zhuǎn)化為中子并導(dǎo)致中微子的發(fā)射。通常，這種衰變是自發(fā)、隨機(jī)且非相干的。但當(dāng)83Rb原子被冷卻到接近絕對(duì)零度并形成BEC時(shí)，它們共享相同的量子態(tài)并變得無(wú)法區(qū)分(見(jiàn)圖)。在這種高度關(guān)聯(lián)的狀態(tài)下，中微子發(fā)射可以協(xié)同發(fā)生。

(a)在高溫條件下，銣原子通過(guò)電子俘獲發(fā)生放射性衰變，以非相干方式釋放中微子；(b)當(dāng)溫度足夠低時(shí)，這些原子會(huì)形成玻色—愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)，這種狀態(tài)的原子可以作為“中微子激光器”使用，發(fā)射出明亮、相干且具有方向性的中微子束流

有一個(gè)因素可能會(huì)破壞發(fā)射體的不可區(qū)分性：當(dāng)一個(gè)原子發(fā)射中微子時(shí)，伴隨的核反沖可能會(huì)把正在衰變的原子從凝聚體中分辨出來(lái)，破壞凝聚體的相干性。然而，Jones 和 Formaggio 的計(jì)算表明，由于所有原子都占據(jù)相同的量子態(tài)，中微子實(shí)際上是整個(gè)凝聚體發(fā)射出來(lái)的，其相干性得以保持。

一個(gè)包含少量放射性同位素的BEC可以產(chǎn)生具有確定能量、動(dòng)量和相位的中微子強(qiáng)脈沖。兩人的計(jì)算表明，大約100萬(wàn)個(gè)83Rb原子(相當(dāng)于10-18 g的銣)可能會(huì)產(chǎn)生巨大的放射效應(yīng)。也就是說(shuō)，超輻射會(huì)加速同位素的衰變，使其半衰期從86.2天縮短到約2.5分鐘。

為了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，Jones和Formaggio建議生成83Rb的BEC并觀察83Rb衰變中產(chǎn)生的氪及其同核異能素發(fā)射的特征γ射線或X射線。由于BEC的形成而增強(qiáng)的這些信號(hào)可以用最先進(jìn)的探測(cè)器觀察到。事實(shí)上，有史以來(lái)第一個(gè)BEC使用的是穩(wěn)定的銣同位素87Rb。Jones 和 Formaggio 認(rèn)為，通過(guò)共囚禁的穩(wěn)定銣原子來(lái)冷卻83Rb原子，可以實(shí)現(xiàn)83Rb的BEC。

凝聚體相關(guān)性不僅可以增強(qiáng)發(fā)射，而且可以增強(qiáng)吸收。因此，這樣的BEC可能會(huì)放大中微子捕獲概率，提高中微子探測(cè)的效率。這種效應(yīng)的前景誘人，例如達(dá)到探測(cè)宇宙中微子背景(CNB，是大爆炸后最初幾秒的遺跡輻射)所需的靈敏度。與宇宙微波背景輻射相比，CNB的發(fā)射時(shí)間大約要早38萬(wàn)年，因此能夠探測(cè)到宇宙更年輕時(shí)期的景象。然而這種可能性目前在實(shí)驗(yàn)上還無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)中微子激光需要對(duì)抗衰變損失以維持一個(gè)穩(wěn)定的放射性銣原子的BEC；確保反沖和其他過(guò)程不會(huì)破壞相干性；以及將協(xié)同發(fā)射引導(dǎo)至一個(gè)明確的方向上。但潛在的收益是巨大的。除了能夠用中微子進(jìn)行精確測(cè)量之外，人們可以設(shè)想從中微子干涉儀到基于中微子通信等遙遠(yuǎn)的諸多發(fā)展。

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