Herhangi bir anda, nötrino adı verilen trilyonlarca parçacık, vücudumuzdan ve çevremizdeki her malzemeden, fark edilir bir etki olmaksızın akıyor. Elektronlardan daha küçük ve fotonlardan daha hafif olan bu hayalet varlıklar, evrendeki kütle ile en bol parçacıklardır.
Bir nötrino’nun kesin kütlesi büyük bir bilinmemektedir. Parçacık o kadar küçüktür ve madde ile o kadar nadiren etkileşir ki ölçülmesi inanılmaz derecede zordur. Bilim adamları, kararsız atomlar üretmek için nükleer reaktörleri ve büyük parçacık hızlandırıcılarını kullanarak yapmaya çalışırlar ve bu da daha sonra nötrinolar da dahil olmak üzere çeşitli yan ürünlere bozulur. Bu şekilde fizikçiler, parçacığın kütlesi de dahil olmak üzere özellikler için araştırabilecekleri nötrino kirişleri üretebilirler.
Şimdi MIT fizikçileri, bir masa üstü deneyinde gerçekleştirilebilecek nötrinolar üretmek için çok daha kompakt ve etkili bir yol önermektedir.
İçinde görünen bir makalede Fiziksel İnceleme Mektuplarıfizikçiler bir “nötrino lazer” konseptini tanıtıyor-radyoaktif atomların bir gazını, yıldızlararası boşluktan daha soğuk sıcaklıklara kadar lazer soğutarak üretilebilecek bir nötrino patlaması. Bu tür soğuk tempslerde, ekip atomların bir kuantum varlık olarak davranması gerektiğini ve radyoaktif olarak senkronizasyonda çürümeyi öngörüyor.
Radyoaktif atomların çürümesi doğal olarak nötrinoları serbest bırakır ve fizikçiler, tutarlı bir kuantum durumunda, bu çürümenin nötrino üretimi ile birlikte hızlanması gerektiğini söyler. Bu kuantum etkisi, geleneksel lazer ışığı üretmek için fotonların nasıl amplifiye edildiğine benzer şekilde amplifiye edilmiş bir nötrino ışını üretmelidir.
“Bir nötrino lazer konseptimizde, nötrinolar normalde olduğundan çok daha hızlı bir şekilde yayılır, bir lazer fotonları çok hızlı bir şekilde yayar.” ’15, Arlington’daki Texas Üniversitesi’nde fizik profesörü.
Örnek olarak, ekip böyle bir nötrino lazerin 1 milyon atomu Rubidyum-83 yakalayarak gerçekleştirilebileceğini hesapladı. Normalde, radyoaktif atomların yaklaşık 82 günlük bir yarılanma ömrü vardır, yani atomların yarısının bozulduğu, her 82 günde bir eşdeğer sayıda nötrino dökülmesi. Fizikçiler, rubidyum-83’ü tutarlı, kuantum bir duruma soğutarak, atomların sadece dakikalar içinde radyoaktif bozulmaya tabi tutulması gerektiğini göstermektedir.
MIT Fizik Profesörü ortak yazar Joseph Formaggio, “Bu, radyoaktif bozulmayı hızlandırmanın yeni bir yolu ve bilgime göre hiç yapılmamış nötrino üretimi” diyor.
Ekip, fikirlerini test etmek için küçük bir masa üstü gösteri yapmayı umuyor. Çalışırsa, bir nötrino lazerin, parçacıkların doğrudan Dünya’dan yeraltı istasyonlarına ve habitatlarına gönderilebileceği yeni bir iletişim biçimi olarak kullanılabileceğini öngörürler. Nötrino lazer, nötrinolarla birlikte radyoaktif bozulmanın yan ürünleri olan etkili bir radyoizotop kaynağı olabilir. Bu tür radyoizotoplar tıbbi görüntüleme ve kanser teşhisini geliştirmek için kullanılabilir.
Tutarlı kondens
Evrendeki her atom için yaklaşık bir milyar nötrino var. Bu görünmez parçacıkların büyük bir kısmı, büyük patlamayı takip eden ilk anlarda oluşmuş olabilir ve fizikçilerin “kozmik nötrino arka planı” olarak adlandırdığı şeyde devam ederler. Nötrinolar ayrıca, güneşin çekirdeğindeki füzyon reaksiyonlarında ve radyoaktif maddelerin normal bozulmasında olduğu gibi atomik çekirdekler birlikte kaynaştığında veya parçalandığında üretilir.
Birkaç yıl önce, Formaggio ve Jones ayrı ayrı yeni bir olasılık olarak görüldü: Ya nötrino üretiminin doğal bir süreci kuantum tutarlılık yoluyla artırılabilirse?
İlk keşifler, bunu gerçekleştirmede temel engelleri ortaya çıkardı. Yıllar sonra, ultra kollu trityumun (radyoaktif çürümeye maruz kalan kararsız bir hidrojen izotopu) özellikleri tartışılırken şunları sordular: Trityum gibi radyoaktif atomlar o kadar soğuk hale getirilebiliyorsa nötrino üretimi arttırılabilir mi?
Bir Bose-Einstein kondens veya BEC, belirli parçacıkların bir gazı mutlak sıfıra kadar soğutulduğunda oluşan bir madde durumudur. Bu noktada, parçacıklar en düşük enerji seviyelerine indirilir ve bireyler olarak hareket etmeyi bırakır. Bu derin dondurmada, parçacıklar birbirlerinin kuantum etkilerini “hissetmeye” başlayabilir ve egzotik fiziğe neden olabilecek benzersiz bir aşama olan bir tutarlı varlık olarak hareket edebilir.
BEC’ler bir dizi atomik türde gerçekleştirilmiştir. (İlk örneklerden biri, 2001 Nobel Fizik Ödülü’nü sonuç için paylaşan MIT’den Wolfgang Ketterle tarafından Sodyum Atomları ile oldu.) Ancak, hiç kimse radyoaktif atomlardan bir BEC yapmadı. Bunu yapmak, çoğu radyoizotopun kısa yarı ömürleri vardır ve bir BEC oluşturmak için yeterince soğutulmadan önce tamamen bozulur.
Bununla birlikte, Formaggio, radyoaktif atomların bir BEC’de yapılması durumunda, bu bir şekilde nötrino üretimini artırır mı? Kuantum mekanik hesaplamaları çözmeye çalışırken, başlangıçta böyle bir etkinin muhtemel olmadığını buldu.
Formaggio, “Kırmızı bir ringa balığı olduğu ortaya çıktı-sadece bir Bose-Einstein kondens yaparak radyoaktif bozunma ve nötrino üretimi sürecini hızlandıramıyoruz.”
Optik ile senkronize
Birkaç yıl sonra, Jones, ek bir bileşenle fikri tekrar ziyaret etti: Superradiance-ışık yayan atom koleksiyonunun senkronize davranması için uyarıldığında meydana gelen kuantum optik olgusu. Bu tutarlı fazda, atomların “süper orman” veya atomların normal olarak senkronize olmadığından daha parlak bir foton patlaması yayması gerektiği tahmin edilmektedir.
Jones, Formaggio’ya belki de benzer bir süper yönlü etkinin radyoaktif bir Bose-Einstein kondensinde mümkün olduğunu önerdi, bu da daha sonra benzer bir nötrino patlamasına neden olabilir. Fizikçiler, ışık yayan atomların tutarlı bir başlangıç durumundan süper bir duruma nasıl dönüştüğünü belirleyen kuantum mekaniği denklemlerini çözmek için çizim tahtasına gittiler. Aynı denklemleri, tutarlı bir BEC Eyaletindeki radyoaktif atomların ne yapacağını bulmak için kullandılar.
Formaggio, “Sonuç şu: çok daha fazla foton daha hızlı elde edersiniz ve aynı kuralları size nötrino veren bir şeye uyguladığınızda, size daha hızlı bir şekilde daha hızlı bir şekilde daha hızlı bir şekilde verecektir.” “İşte o zaman parçalar birlikte tıkladı, radyoaktif bir kondens içindeki süper kaynak, bu hızlandırılmış, lazer benzeri nötrino emisyonunu sağlayabilir.”
Teorik olarak konseptlerini test etmek için ekip, 1 milyon süper soğutmalı Rubidyum-83 atomundan oluşan bir buluttan nötrinoların nasıl üretileceğini hesapladı. Tutarlı BEC durumunda, atomların radyoaktif olarak hızlanma oranında çürümüş olduğunu ve birkaç dakika içinde lazer benzeri bir nötrino kirişini serbest bıraktığını buldular.
Fizikçiler teoride bir nötrino lazerin mümkün olduğunu gösterdiğine göre, fikri küçük bir masa üstü kurulumu ile test etmeyi planlıyorlar.
Jones, “Bu radyoaktif malzemeyi almak, buharlaştırmak, lazerlerle tuzağa düşürmek, soğutmak ve daha sonra bir Bose-Einstein kondensine dönüştürmek yeterli olmalıdır.” “O zaman bu süper organı kendiliğinden yapmaya başlamalı.”
Çift, böyle bir deneyin bir dizi önlem ve dikkatli manipülasyon gerektireceğini kabul eder.
“Eğer laboratuvarda gösterebileceğimiz ortaya çıkıyorsa, insanlar düşünebilir: Bunu bir nötrino dedektörü olarak kullanabilir miyiz? Yoksa yeni bir iletişim biçimi mi?” Formaggio diyor. “İşte o zaman eğlence gerçekten başlıyor.”
