Khái niệm mới về chùm tia neutrino sử dụng bức xạ cộng hưởng lượng tử

Laser neutrino: Một ý tưởng mà nhiều nhà vật lý không ngờ tới

Ở cái nhìn đầu tiên, vật lý học cho rằng sẽ không thể tạo ra một tia laser neutrino, những hạt hạ nguyên tử khét tiếng khó nắm bắt. Nhưng một mánh khóe phi truyền thống đã mở ra khả năng đó.

Một hiện tượng cơ học lượng tử gọi là superradiance dưới nền tảng của ý tưởng này. Trong superradiance, một nhóm nguyên tử được kích thích phát xạ ánh sáng đồng loạt thành một chùm, thay vì rời rạc. Trong điều kiện thích hợp, superradiance có thể tạo ra một chùm neutrino, các nhà vật lý báo cáo trên tạp chí Physical Review Letters số ra ngày 12 tháng 9. Những chùm này có thể mở ra các nghiên cứu mới về neutrino và vật lý lượng tử.

“Rất hiếm khi ta thấy những ý tưởng đột phá như thế này,” nhà vật lý neutrino Carlos Argüelles của Đại học Harvard nhận xét. “Thật sự rất tuyệt.”

Các laser truyền thống dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích, trong đó một hạt photon kích thích photon khác phát xạ. (Từ “laser” thực ra là chữ viết tắt của Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – Khuếch đại Ánh sáng bằng Phát xạ Kích thích.) Nhưng phát xạ kích thích chỉ áp dụng cho các hạt ánh sáng và boson; neutrino là fermion nên không phù hợp.

Thay vào đó, superradiance, một phương pháp phi truyền thống để tạo laser, cũng có thể áp dụng cho fermion, bao gồm neutrino. Theo Benjamin Jones, nhà vật lý tại Đại học Texas Arlington, “điều này dường như chưa được nhận ra rộng rãi trước đây.”

Jones và nhà vật lý Joseph Formaggio của MIT đã khai thác khái niệm này và đề xuất một sơ đồ tận dụng superradiance để tạo neutrino, với hy vọng sớm chứng minh trong phòng thí nghiệm.

Kỹ thuật đòi hỏi một đọng Bose–Einstein, trạng thái vật chất trong đó các nguyên tử được làm lạnh đến cùng một trạng thái lượng tử. Tuy nhiên, đọng này phải có tính phóng xạ. Jones và Formaggio đề xuất sử dụng đồng vị rubidi-83 phóng xạ, vốn phát ra neutrino khi phân rã.

Thông thường, rubidi-83 có chu kỳ bán rã khoảng 86 ngày. Nhưng trong đọng Bose–Einstein, quá trình phân rã sẽ được tăng tốc mạnh. Một triệu nguyên tử rubidi-83 có thể phân rã chỉ trong vài phút, tạo ra một đợt neutrino. Với số nguyên tử lớn hơn, tốc độ phân rã còn nhanh hơn.

Superradiance khởi nguồn từ khái niệm chồng chập lượng tử, trong đó hạt tồn tại ở hai trạng thái cùng lúc. Nếu một nguyên tử phóng xạ phân rã trong một nhóm đồng nhất—như đọng Bose–Einstein—sẽ không thể xác định nguyên tử nào phân rã. Điều này tạo ra chồng chập giữa trạng thái đã phân rã và chưa phân rã. Khi nhiều nguyên tử phân rã, tồn tại nhiều khả năng về thứ tự phân rã—không thể biết nguyên tử nào phân rã trước, nào sau—dẫn đến tăng tốc độ phân rã và phát xạ neutrino.

Việc tạo laser neutrino sẽ đầy thách thức, theo Kyle Leach, nhà vật lý hạt nhân tại Colorado School of Mines ở Golden. Nhưng “không có lý do khái niệm nào ngăn cản điều này hoạt động, ít nhất theo quan điểm của tôi. Và nếu thành công, lợi ích sẽ rất lớn.” Leach cho biết nếu có laser neutrino, giới vật lý có thể “thực hiện hàng loạt thí nghiệm vật lý mà trước đây không thể thực hiện.”

Kỹ thuật này có thể giải phóng các nhà vật lý neutrino khỏi sự phụ thuộc vào máy gia tốc hạt đắt đỏ, nơi hiện nay tạo chùm neutrino. Dù laser neutrino không thể đạt năng lượng hay cường độ như chùm gia tốc, laser có một ưu điểm: các hạt sẽ tương quan với nhau. “Như thể chúng nắm tay nhau theo cách cơ học lượng tử,” Argüelles nói.

Đặc tính này giúp nghiên cứu hành vi tập thể của các hạt lượng tử, như khi một ngôi sao già sụp đổ và nổ thành supernova, tạo ra một lượng lớn neutrino đồng thời. Đàn neutrino tương tác tập thể theo cách ta chưa hiểu rõ. Laser neutrino có thể hỗ trợ. Trong tương lai xa, Leach tưởng tượng bắn hai tia laser neutrino vào nhau để quan sát sự giao thoa.

Nhưng trước hết, các nhà nghiên cứu phải chứng minh ý tưởng là có thật. “Đây là một thí nghiệm có thể thực hiện trên quy mô bàn thí nghiệm tại phòng lab đại học,” Jones nói. “Chúng ta nên kiểm chứng xem quá trình này có xảy ra như chúng tôi dự đoán không.”

Thẻ: NGHIÊN CỨU | VẬT LÝ HẠT