Atom radioaktif super pendingin dapat membuat sinar neutrino seperti laser, berpotensi membuka jalan baru untuk mempelajari partikel-partikel yang sulit dipahami ini dan bahkan memungkinkan bentuk komunikasi baru.
Setiap instan, neutrino melewati tubuh kita dan benda -benda di sekitar kita tanpa meninggalkan jejak. Lebih kecil dari elektron dan lebih ringan dari foton, partikel -partikel seperti hantu ini adalah partikel besar yang paling banyak di alam semesta.
Massa yang tepat dari neutrino masih belum diketahui. Karena mereka sangat kecil dan jarang berinteraksi dengan materi, mengukurnya sangat menantang. Untuk menyelidiki ini, para ilmuwan menggunakan reaktor nuklir dan akselerator partikel besar untuk membuat atom yang tidak stabil yang membusuk menjadi beberapa produk sampingan, termasuk neutrino. Fasilitas ini menghasilkan balok neutrino yang dapat dipelajari para peneliti untuk sifat -sifat seperti massa.
DENGAN Fisikawan sekarang menggambarkan pendekatan yang jauh lebih ringkas dan efisien untuk menghasilkan neutrino yang dapat dilakukan di atas meja.
Dalam makalah yang muncul di Surat Ulasan Fisikpara fisikawan memperkenalkan konsep untuk “laser neutrino”-ledakan neutrino yang dapat diproduksi oleh laser-cooling gas atom radioaktif hingga suhu lebih dingin daripada ruang antarbintang. Pada suhu dingin seperti itu, tim memprediksi atom harus berperilaku sebagai salah satu entitas kuantum, dan peluruhan radioaktif secara sinkron.
Pembusukan atom radioaktif secara alami melepaskan neutrino, dan fisikawan mengatakan bahwa dalam keadaan kuantum yang koheren ini harus berakselerasi, bersama dengan produksi neutrino. Efek kuantum ini harus menghasilkan sinar neutrino yang diamplifikasi, secara luas mirip dengan bagaimana foton diperkuat untuk menghasilkan cahaya laser konvensional.
“Dalam konsep kami untuk laser neutrino, neutrino akan dipancarkan pada tingkat yang jauh lebih cepat daripada biasanya, seperti laser memancarkan foton dengan sangat cepat,” kata rekan penulis studi Ben Jones PhD ’15, seorang profesor fisika di University of Texas di Arlington.
Sebagai contoh, tim menghitung bahwa laser neutrino seperti itu dapat direalisasikan dengan menjebak 1 juta atom Rubidium-83. Biasanya, atom radioaktif memiliki waktu paruh sekitar 82 hari, yang berarti bahwa setengah atom peluruhan, menumpahkan jumlah neutrino yang setara, setiap 82 hari. Para fisikawan menunjukkan bahwa, dengan mendinginkan rubidium-83 ke keadaan kuantum yang koheren, atom-atom harus mengalami peluruhan radioaktif hanya dalam beberapa menit.
“Ini adalah cara baru untuk mempercepat peluruhan radioaktif dan produksi neutrino, yang menurut saya, belum pernah dilakukan,” kata rekan penulis Joseph Formaggio, Profesor Fisika di MIT.
Tim berharap untuk membangun demonstrasi meja kecil untuk menguji ide mereka. Jika berhasil, mereka membayangkan laser neutrino dapat digunakan sebagai bentuk komunikasi baru, yang dengannya partikel dapat dikirim langsung melalui bumi ke stasiun dan habitat bawah tanah. Laser neutrino juga bisa menjadi sumber radioisotop yang efisien, yang, bersama dengan neutrino, adalah produk sampingan dari peluruhan radioaktif. Radioisotop semacam itu dapat digunakan untuk meningkatkan pencitraan medis dan diagnostik kanker.
Kondensat yang koheren
Untuk setiap atom Di alam semesta, ada sekitar satu miliar neutrino. Sebagian besar dari partikel -partikel yang tidak terlihat ini mungkin telah terbentuk pada saat -saat pertama setelah Big Bangdan mereka bertahan dalam apa yang oleh fisikawan disebut sebagai “latar belakang neutrino kosmik.” Neutrino juga diproduksi setiap kali nukleus atom bersatu atau pecah, seperti dalam reaksi fusi pada inti matahari, dan dalam peluruhan normal bahan radioaktif.
Beberapa tahun yang lalu, Formaggio dan Jones secara terpisah dianggap sebagai kemungkinan baru: Bagaimana jika proses alami produksi neutrino dapat ditingkatkan melalui koherensi kuantum? Eksplorasi awal mengungkapkan hambatan mendasar dalam mewujudkan hal ini. Bertahun-tahun kemudian, ketika membahas sifat-sifat tritium ultracold (isotop hidrogen yang tidak stabil yang mengalami peluruhan radioaktif) mereka bertanya: dapatkah produksi neutrino ditingkatkan jika atom radioaktif seperti tritium dapat dibuat begitu dingin sehingga dapat dibawa ke dalam keadaan kuantum yang dikenal sebagai condensate bose-bosestein?
Kondensat Bose-Einstein, atau BEC, adalah keadaan materi yang terbentuk ketika gas partikel tertentu didinginkan hingga dekat nol absolut. Pada titik ini, partikel -partikel diturunkan ke tingkat energi terendah dan berhenti bergerak sebagai individu. Dalam pembekuan dalam ini, partikel -partikel dapat mulai “merasakan” efek kuantum satu sama lain, dan dapat bertindak sebagai satu entitas yang koheren – fase unik yang dapat menghasilkan fisika eksotis.
Bec telah direalisasikan dalam sejumlah atom jenis. (Salah satu contoh pertama adalah dengan atom natrium, oleh MIT Wolfgang Ketterle, yang berbagi Hadiah Nobel Fisika 2001 untuk hasilnya.) Namun, tidak ada yang membuat BEC dari atom radioaktif. Untuk melakukannya akan sangat menantang, karena sebagian besar radioisotop memiliki waktu paruh pendek dan akan membusuk sepenuhnya sebelum mereka bisa didinginkan cukup untuk membentuk BEC.
Namun demikian, Formaggio bertanya -tanya, apakah atom radioaktif dapat dibuat menjadi BEC, apakah ini akan meningkatkan produksi neutrino dalam beberapa cara? Dalam mencoba menyelesaikan perhitungan mekanik kuantum, ia pada awalnya menemukan bahwa tidak ada efek seperti itu.
“Ternyata herring merah-kami tidak dapat mempercepat proses pembusukan radioaktif, dan produksi neutrino, hanya dengan membuat kondensat Bose-Einstein,” kata Formaggio.
Sinkron dengan optik
Beberapa tahun kemudian, Jones meninjau kembali gagasan itu, dengan bahan tambahan: superradiance-fenomena optik kuantum yang terjadi ketika kumpulan atom pemancar cahaya dirangsang untuk berperilaku sinkronisasi. Dalam fase yang koheren ini, diprediksi bahwa atom harus memancarkan ledakan foton yang “superradiant,” atau lebih bersinar daripada ketika atom biasanya tidak sinkron.
Jones mengusulkan untuk formaggio bahwa mungkin efek superradiant yang serupa dimungkinkan dalam kondensat Bose-Einstein radioaktif, yang kemudian dapat menghasilkan ledakan neutrino yang serupa. Para fisikawan pergi ke papan gambar untuk mengerjakan persamaan mekanika kuantum yang mengatur bagaimana atom yang memancar cahaya berubah dari keadaan awal yang koheren menjadi keadaan superradiant. Mereka menggunakan persamaan yang sama untuk mengetahui apa yang akan dilakukan atom radioaktif dalam keadaan BEC yang koheren.
“Hasilnya adalah: Anda mendapatkan lebih banyak foton lebih cepat, dan ketika Anda menerapkan aturan yang sama untuk sesuatu yang memberi Anda neutrino, itu akan memberi Anda banyak neutrino lebih cepat,” Formaggio menjelaskan. “Saat itulah potongan-potongan itu diklik bersama, superradiance dalam kondensat radioaktif dapat memungkinkan emisi neutrino seperti laser yang dipercepat ini.”
Untuk menguji konsep mereka secara teori, tim menghitung bagaimana neutrino akan diproduksi dari awan 1 juta atom Rubidium-83 yang didinginkan super. Mereka menemukan bahwa, dalam keadaan BEC yang koheren, atom-atom secara radioaktif membusuk pada tingkat yang semakin cepat, melepaskan balok neutrino seperti laser dalam beberapa menit.
Sekarang para fisikawan telah menunjukkan secara teori bahwa laser neutrino dimungkinkan, mereka berencana untuk menguji ide dengan pengaturan meja kecil.
“Seharusnya cukup untuk mengambil bahan radioaktif ini, menguapkannya, menjebaknya dengan laser, mendinginkannya, dan kemudian mengubahnya menjadi kondensat Bose-Einstein,” kata Jones. “Maka itu harus mulai melakukan superradiance ini secara spontan.”
Pasangan ini mengakui bahwa percobaan semacam itu akan membutuhkan sejumlah tindakan pencegahan dan manipulasi yang cermat.
“Jika ternyata kita dapat menunjukkannya di lab, maka orang dapat memikirkan: dapatkah kita menggunakan ini sebagai detektor neutrino? Atau bentuk komunikasi baru?” Kata formaggio. “Saat itulah kesenangan benar -benar dimulai.”
Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan buletin ScitechDaily.
BN Babel
