فیزیک‌دانان راهی نظری برای متمرکز کردن نوترینوهای مرموز در پرتویی شبیه لیزر پیشنهاد کرده بودند، اما محاسبات جدید پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) نشان می‌دهد که پس‌زنی شدید اتم‌ها و ماهیت کوانتومی خود این ذرات مانع تحقق چنین پدیده‌ای می‌شوند.
در هر ثانیه، تریلیون‌ها ذره زیراتمی از هر سانتی‌متر مربع زمین عبور می‌کنند و بدون برجای گذاشتن اثری قابل‌مشاهده، از میان سنگ‌های جامد، ستاره‌های عظیم و بدن انسان می‌گذرند. این ذرات که نوترینو نام دارند، جرمی بسیار ناچیز دارند و به‌قدری ضعیف با ماده معمولی برهم‌کنش می‌کنند که فیزیک‌دانان از زمان کشف آن‌ها در سال ۱۹۵۶، همواره برای شناسایی و کنترلشان با دشواری روبه‌رو بوده‌اند.
سال گذشته، جو فرماجیو، استاد فیزیک مؤسسه فناوری ماساچوست، و بن جونز، که در آن زمان دانشیار دانشگاه تگزاس در آرلینگتون بود و اکنون در دانشگاه منچستر فعالیت می‌کند، روشی نظری برای عبور از این محدودیت فیزیکی پیشنهاد کردند.
آن‌ها بر این باور بودند که اگر ابری از اتم‌های رادیواکتیو تا دماهای نانوکلوین، یعنی دماهایی در حد یک‌میلیاردم کلوین، سرد شود، حرکت اتم‌ها به شرایطی می‌رسد که عدم قطعیت کوانتومی به‌جای گرمایی بودن، رفتار آن‌ها را تعیین می‌کند. در چنین دمای فوق‌العاده پایینی، اتم‌ها حالتی به نام چگالش بوز-اینشتین (Bose-Einstein Condensate) تشکیل می‌دهند و به‌صورت مجموعه‌ای واحد با هم‌بستگی‌های کوانتومی رفتار می‌کنند.
فرماجیو و جونز استدلال کردند که اگر اتم‌های رادیواکتیو به این حالت برسند، ممکن است واپاشی آن‌ها از طریق اثر کوانتومی ابرتابش (Superradiance) هماهنگ شود. در این شرایط، اتم‌ها به‌جای انتشار مستقل نوترینوها در جهت‌های تصادفی، می‌توانند واپاشی یکدیگر را تقویت کنند و ذرات را در پرتویی متمرکز شبیه پرتو لیزر آزاد سازند. در یکی از سناریوهای پیشنهادی، نیمه‌عمر اتم‌های رادیواکتیو روبیدیوم می‌توانست از ۸۶ روز به تنها یک دقیقه کاهش پیدا کند. بااین‌حال، تاکنون هیچ گروهی موفق به تولید چگالش بوز-اینشتین از اتم‌های رادیواکتیو نشده است.
دو مانع بر سر راه ساخت لیزر نوترینویی
اکنون فیزیک‌دانان مؤسسه فناوری ماساچوست به این نتیجه رسیده‌اند که این طرح نمی‌تواند به شکل پیشنهادی عمل کند. ولفگانگ کترل، استاد فیزیک ام‌آی‌تی و دارنده عنوان استادی مک‌آرتور، به همراه دو پژوهشگر پسادکتری به نام‌های هانژن لین و یو–کون لو، در دو مقاله مرتبط که در مجله Physical Review Letters منتشر شده‌اند، دو مانع مستقل را شناسایی کرده‌اند. مانع نخست، پس‌زنی شدید اتم هنگام خروج نوترینو است و مانع دوم به ماهیت نوترینوها به‌عنوان ذراتی از خانواده فرمیون‌ها مربوط می‌شود.
کترل درباره این دو پژوهش می‌گوید:
این دو مقاله را می‌توان ضربه اول و ضربه دوم دانست. هرکدام از آن‌ها به‌تنهایی برای رد این پیشنهاد کافی بود.
پیش‌تر، پدیده ابرتابش با فوتون‌ها به نمایش گذاشته شده بود. هنگامی که پرتو لیزر به چگالش بوز-اینشتین تابانده می‌شود، اتم‌های فوق‌سرد می‌توانند پراکندگی خود را هماهنگ کنند تا فوتون‌ها در یک جهت مشخص خارج شوند. در دمای اتاق، همین فوتون‌ها به‌صورت تصادفی پراکنده می‌شوند و به‌جای تشکیل پرتویی متمرکز، درخششی پراکنده ایجاد می‌کنند.
هر رویداد پراکندگی همچنین باعث پس‌زنی اتم می‌شود؛ یعنی اتم در جهت مخالف حرکت فوتون، تکانه دریافت می‌کند. درون چگالش، این پس‌زنی‌ها می‌توانند هماهنگ باقی بمانند، پراکندگی‌های بعدی را تقویت کنند و فرایندی با رشد نمایی به وجود آورند. نتیجه این فرایند، تشکیل پرتوی فوتونی ابرتابش است. فرماجیو و جونز پیشنهاد کرده بودند که اتم‌های رادیواکتیو نیز هنگام واپاشی بتوانند با سازوکاری مشابه، نوترینوها را در یک جهت متمرکز کنند.
پس‌زنی نوترینوها حافظه کوانتومی را از بین می‌برد
کترل که در سال ۱۹۹۵ در کشف چگالش بوز-اینشتین مشارکت داشت و در سال ۲۰۰۱ جایزه نوبل فیزیک را برای پژوهش‌های مرتبط دریافت کرد، از ابتدا تردید داشت که رفتار ظریف اتم‌های فوق‌سرد بتواند انرژی آزادشده در واپاشی هسته‌ای را تحمل کند.
او توضیح می‌دهد که چگالش‌ها در انرژی‌های پایین می‌توانند رفتارهای شگفت‌انگیزی مانند ابرشارگی و تشکیل گردابه از خود نشان دهند، اما واکنش‌های هسته‌ای بسیار پرانرژی شرایط متفاوتی ایجاد می‌کنند. به گفته او، رفتار هماهنگ این مجموعه در برابر فرایندهای خشنی مانند واکنش‌های هسته‌ای دوام نمی‌آورد.
فوتون‌های مرئی حدود یک الکترون‌ولت انرژی دارند، درحالی‌که انرژی نوترینوهای حاصل از واپاشی رادیواکتیو می‌تواند به حدود یک میلیون الکترون‌ولت برسد. این اختلاف انرژی عظیم باعث می‌شود اتمی که نوترینو آزاد می‌کند، تقریباً یک میلیون برابر شدیدتر از اتمی که با نور مرئی برهم‌کنش دارد، پس‌زنی کند.
کترل می‌گوید هنگامی که نوترینوهایی با انرژی حدود یک میلیون الکترون‌ولت منتشر می‌شوند، اتم می‌تواند با سرعتی معادل ماخ ۱۰، یعنی حدود ۱۰ برابر سرعت صوت، به حرکت درآید. چنین سرعتی باعث می‌شود اتم تقریباً بلافاصله از چگالش خارج شود.
برای شکل‌گیری ابرتابش، چگالش باید بتواند نوعی حافظه کوانتومی از انتشارهای قبلی را حفظ کند. فرض اولیه این بود که حتی اگر اتم پس‌زنی‌کننده از چگالش خارج شود، اثری کوانتومی از خود به جا می‌گذارد که اتم‌های دیگر را به انتشار نوترینو در همان جهت تشویق می‌کند.
کترل و همکارانش این فرض را با استفاده از یک مدل نظری بررسی کردند که شرایط لازم برای شکل‌گیری ابرتابش را توصیف می‌کند. آن‌ها مدل را برای اتم‌های رادیواکتیو و نوترینوها توسعه دادند و طیف انرژی نوترینوها، پس‌زنی اتم‌ها و تغییرات پویای چگالش را در محاسبات خود در نظر گرفتند.
نتیجه تمام سناریوهای بررسی‌شده یکسان بود: اتم پس‌زنی‌کننده آن‌قدر سریع از چگالش خارج می‌شد که فرصت شکل‌گیری اثر کوانتومی موردنیاز وجود نداشت. بدون این حافظه کوانتومی، اتم‌های رادیواکتیو همچنان به‌صورت عادی واپاشی می‌کنند و نمی‌توانند انتشار نوترینوها را در قالب یک پرتو متمرکز تقویت کنند.
ماهیت فرمیونی نوترینوها اثر حافظه را معکوس می‌کند
حتی اگر مشکل پس‌زنی برطرف می‌شد، مانع دیگری همچنان پابرجا می‌ماند. پژوهش دوم نشان داد که نوترینوها نوع نادرستی از حافظه کوانتومی را برای شکل‌گیری ابرتابش ایجاد می‌کنند. به‌جای آنکه انتشار یک نوترینو، احتمال انتشار نوترینوی بعدی در همان جهت را افزایش دهد، این فرایند احتمال چنین انتشاری را کاهش می‌دهد.
علت این رفتار به ماهیت نوترینوها به‌عنوان فرمیون مربوط می‌شود. ذرات بنیادی از نظر ویژگی‌های کوانتومی به دو گروه اصلی بوزون‌ها و فرمیون‌ها تقسیم می‌شوند. فوتون‌ها بوزون هستند و اسپین صحیح دارند، درحالی‌که الکترون‌ها و نوترینوها فرمیون‌هایی با اسپین نیمه‌صحیح محسوب می‌شوند. این تفاوت بنیادی تعیین می‌کند که ذرات چگونه در ارتباط با یکدیگر رفتار کنند.
کترل توضیح می‌دهد که ابرتابش به حافظه کوانتومی یا هم‌بستگی‌های کوانتومی در چگالش وابسته است. برخی تصور می‌کردند نوع ذره منتشرشده، چه بوزون باشد و چه فرمیون، تفاوتی در این فرایند ایجاد نمی‌کند. بااین‌حال، محاسبات جدید نشان می‌دهد که انتشار فرمیون‌ها نوعی «حافظه معکوس» ایجاد می‌کند؛ اثری که به‌جای تقویت انتشار هماهنگ، مانع آن می‌شود.
بنابراین، حتی اگر اتم‌ها می‌توانستند پس‌زنی شدید را تحمل کنند، ویژگی‌های کوانتومی نوترینوها همچنان از شکل‌گیری پرتو ابرتابشی جلوگیری می‌کرد.
آیا آزمایش عملی می‌تواند این نظریه را بررسی کند؟
فرماجیو که در تدوین پیشنهاد اولیه مشارکت داشت، بررسی انتقادی این ایده را بخشی طبیعی از روند علمی می‌داند. او می‌گوید هنگامی که ایده جدیدی مطرح می‌شود، وظیفه جامعه علمی است که آن را با دقت بررسی کند. به گفته او، پیشنهاد اولیه باعث شکل‌گیری بحث‌ها و ایده‌های تازه‌ای فراتر از چارچوب اصلی پژوهش شده است و این روند می‌تواند ادامه پیدا کند.
کترل، فرماجیو و جونز چندین بار برای بررسی پیشنهاد اولیه و ایرادهای مطرح‌شده در تحلیل‌های جدید با یکدیگر دیدار کرده‌اند. بااین‌حال، فرماجیو همچنان احتمال انجام آزمایشی عملی برای بررسی این ایده را منتفی نمی‌داند.
او معتقد است که ممکن است در آینده پژوهشگری این آزمایش را انجام دهد، زیرا در نهایت طبیعت است که درستی پیش‌بینی‌های علمی را مشخص می‌کند. فرماجیو همچنین یادآور می‌شود که پیش‌بینی‌های گذشته درباره نوترینوها بارها با شگفتی‌هایی همراه بوده‌اند و این ذرات همواره توانسته‌اند فیزیک‌دانان را غافلگیر کنند.
کترل نیز تأکید می‌کند که ایده‌های خلاقانه و گفت‌وگو میان دانشمندان برای کشف شگفتی‌های طبیعت ضروری است، اما در مورد لیزرهای نوترینویی، نتیجه جذاب این پیشنهاد ظاهراً بیش از آن خوب بوده که بتواند واقعیت داشته باشد.
منبع: Scitechdaily
