宇宙中的神秘幽靈

每一秒，都有數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的中微子穿過(guò)我們的身體，但我們卻毫無(wú)察覺(jué)。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(cè)量它們的性質(zhì)（比如質(zhì)量）非常困難。

通常，物理學(xué)家需依靠核反應(yīng)堆或大型粒子加速器來(lái)產(chǎn)生不穩(wěn)定的原子。這些原子在衰變時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種副產(chǎn)物，其中就包括中微子。通過(guò)這種方式，物理學(xué)家能夠制造出中微子束，然后對(duì)其進(jìn)行研究，從而推測(cè)包括質(zhì)量在內(nèi)的各種性質(zhì)。

現(xiàn)在，在一項(xiàng)新發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》的研究中，物理學(xué)家Joseph Formaggio和Ben Jones提出了一個(gè)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(qiáng)烈且相干的中微子流，有望成為推動(dòng)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(yùn)用了量子物理學(xué)中的兩個(gè)重要概念——玻色–愛(ài)因斯坦凝聚（BEC）和超輻射。

玻色–愛(ài)因斯坦凝聚

BEC是一種奇特的物質(zhì)狀態(tài)：當(dāng)某些粒子組成的氣體被冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí)，它們會(huì)降到最低能級(jí)，個(gè)體運(yùn)動(dòng)幾乎消失，轉(zhuǎn)而可以開(kāi)始“感受到”彼此的量子特性，表現(xiàn)為一個(gè)連貫的整體。在這種相干狀態(tài)下，物質(zhì)會(huì)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(shí)現(xiàn)。不過(guò)，目前還沒(méi)有人成功用放射性原子制造BEC——因?yàn)槎鄶?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(jìn)入BEC狀態(tài)，那么這是否會(huì)以某種方式增強(qiáng)中微子的產(chǎn)生？但最初的計(jì)算結(jié)果是令人失望的，他發(fā)現(xiàn)僅通過(guò)制造BEC，并不能加速放射性衰變或增強(qiáng)中微子的產(chǎn)生。

超輻射

幾年后，Jones重新思考了這個(gè)問(wèn)題，并在思考中加入了另一個(gè)重要因素——超輻射。這是一種量子光學(xué)現(xiàn)象，當(dāng)一群發(fā)光的原子被激發(fā)后進(jìn)入完全同步的狀態(tài)時(shí)，它們會(huì)集體釋放出一股“超輻射”光子，比原子各自獨(dú)立發(fā)光時(shí)更強(qiáng)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(yīng)，是否就能引發(fā)一次“中微子爆發(fā)”？

于是，他們開(kāi)始推導(dǎo)相關(guān)的量子力學(xué)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?cè)儆猛瑯拥姆匠逃?jì)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(jī)制應(yīng)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(qiáng)烈。

理論驗(yàn)證：銣-83的量子實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證這一設(shè)想，他們計(jì)算了由100萬(wàn)個(gè)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(guò)電子俘獲發(fā)生放射性衰變，釋放出的中微子彼此無(wú)相干性。下圖：在足夠低的溫度下，銣原子形成玻色–愛(ài)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(shuō)，需要82天才有一半的原子衰變并釋放出相應(yīng)數(shù)量的中微子。

但他們的計(jì)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(shí)驗(yàn)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(duì)它們?nèi)灾跎?。新研究提供了一種全新的方式來(lái)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(tuán)隊(duì)計(jì)劃用一個(gè)小型桌面裝置來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

如果這一設(shè)想真的能在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)，中微子激光將為科學(xué)與應(yīng)用開(kāi)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(hào)可以直接穿透地球，到達(dá)地下設(shè)施或遠(yuǎn)距離空間站。同時(shí)，中微子激光還可能成為放射性同位素的高效來(lái)源，而這些同位素作為衰變的副產(chǎn)物，在醫(yī)學(xué)成像和癌癥診斷中具有重要價(jià)值。更進(jìn)一步，它甚至有望發(fā)展為新型中微子探測(cè)器，幫助科學(xué)家更深入地揭示這種幽靈般粒子的奧秘。

#參考來(lái)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(lái)源：

封面圖&首圖：Placidplace / Pixabay