À un moment donné, des milliards de particules appelées neutrinos sont en cours d'exécution à travers notre corps et tous les matériaux de notre environnement, sans effet notable. Plus petits que les électrons et plus légers que les photons, ces entités fantomatiques sont les particules les plus abondantes avec la masse dans l'univers.
La masse exacte d'un neutrino est une grande inconnue. La particule est si petite et interagit si rarement avec la matière, qu'elle est incroyablement difficile à mesurer. Les scientifiques tentent de le faire en exploitant des réacteurs nucléaires et des accélérateurs de particules massives pour générer des atomes instables, qui se décomposent ensuite en divers sous-produits, y compris les neutrinos. De cette façon, les physiciens peuvent fabriquer des faisceaux de neutrinos qu'ils peuvent sonder les propriétés, y compris la masse de la particule.
Maintenant, les physiciens du MIT proposent un moyen beaucoup plus compact et efficace de générer des neutrinos qui pourraient être réalisés dans une expérience de table.
Dans un article apparaissant dans Lettres d'examen physiqueles physiciens introduisent le concept d'un « laser de neutrinos » – une rafale de neutrinos qui pourraient être produites par refroidissement par laser un gaz d'atomes radioactifs à des températures plus froides que l'espace interstellaire. À ces températures glaciales, l'équipe prédit que les atomes devraient se comporter comme une seule entité quantique et se décomposer radioactive en synchronisation.
La désintégration des atomes radioactifs libère naturellement des neutrinos, et les physiciens disent que dans un état quantique cohérent, cette désintégration devrait accélérer, ainsi que la production de neutrinos. Cet effet quantique devrait produire un faisceau amplifié de neutrinos, largement similaire à la façon dont les photons sont amplifiés pour produire une lumière laser conventionnelle.
« Dans notre concept pour un laser à neutrinos, les neutrinos seraient émis à un rythme beaucoup plus rapide qu'ils ne le feraient normalement, un peu comme un laser émet des photons très rapidement », explique le co-auteur de l'étude Ben Jones Ph.D. '15, professeur agrégé de physique à l'Université du Texas à Arlington.
Par exemple, l'équipe a calculé qu'un tel laser neutrinos pourrait être réalisé en piégeant 1 million d'atomes de Rubidium-83. Normalement, les atomes radioactifs ont une demi-vie d'environ 82 jours, ce qui signifie que la moitié des atomes se décomposent, éliminant un nombre équivalent de neutrinos, tous les 82 jours. Les physiciens montrent qu'en refroidissant le Rubidium-83 à un état quantique cohérent, les atomes devraient subir une décroissance radioactive en quelques minutes.
« Il s'agit d'un nouveau moyen d'accélérer la désintégration radioactive et la production de neutrinos, ce qui, à ma connaissance, n'a jamais été fait », explique le co-auteur Joseph Foraggio, professeur de physique au MIT.
L'équipe espère construire une petite démonstration de table pour tester son idée. Si cela fonctionne, ils envisagent qu'un laser à neutrinos pourrait être utilisé comme une nouvelle forme de communication, par laquelle les particules pourraient être envoyées directement à travers la Terre aux stations souterraines et aux habitats. Le laser à neutrinos pourrait également être une source efficace de radio-isotopes qui, ainsi que les neutrinos, sont des sous-produits de décroissance radioactive. De tels radio-isotopes pourraient être utilisés pour améliorer l'imagerie médicale et les diagnostics du cancer.
Condensat cohérent
Pour chaque atome de l'univers, il y a environ un milliard de neutrinos. Une grande fraction de ces particules invisibles peut s'être formée dans les premiers instants qui ont suivi le Big Bang, et ils persistent dans ce que les physiciens appellent le «fond cosmique des neutrinos». Les neutrinos sont également produits chaque fois que les noyaux atomiques fusionnent ou se séparent, comme dans les réactions de fusion dans le noyau du soleil et dans la décroissance normale des matières radioactives.
Il y a plusieurs années, Formaggio et Jones considéraient séparément une nouvelle possibilité: que se passe-t-il si un processus naturel de production de neutrinos pouvait être amélioré grâce à la cohérence quantique?
Les explorations initiales ont révélé des barrages routiers fondamentaux en réalisant cela. Des années plus tard, tout en discutant des propriétés du tritium ultracold (un isotope instable d'hydrogène qui subit une désintégration radioactive), ils ont demandé: la production de neutrinos pourrait-elle être améliorée si des atomes radioactifs tels que le tritium pouvaient être faits si froids qu'ils pourraient être amenés dans un état quantique connu sous le nom de Bose-Einstein CondaSt?
Un condensat de Bose-Einstein, ou BEC, est un état de matière qui se forme lorsqu'un gaz de certaines particules est refroidi à presque zéro absolu. À ce stade, les particules sont ramenées à leur niveau d'énergie le plus bas et cessent de se déplacer en tant qu'individus. Dans ce gel profond, les particules peuvent commencer à « se sentir » les effets quantiques de l'autre et peuvent agir comme une entité cohérente – une phase unique qui peut entraîner une physique exotique.
Les BEC ont été réalisés dans un certain nombre d'espèces atomiques. (L'un des premiers cas a été avec les atomes de sodium, par Wolfgang Ketterle du MIT, qui a partagé le prix Nobel de physique 2001 pour le résultat.) Cependant, personne n'a fait un BEC à partir d'atomes radioactifs. Le faire serait exceptionnellement difficile, car la plupart des radio-isotopes ont de courtes demi-vies et se décomposeraient entièrement avant qu'ils ne puissent être suffisamment refroidis pour former un BEC.
Néanmoins, Formaggio s'est demandé si des atomes radioactifs pouvaient être transformés en BEC, cela améliorerait-il la production de neutrinos d'une manière ou d'une autre? En essayant de déterminer les calculs mécaniques quantiques, il a initialement constaté qu'aucun effet de ce type n'était probable.
« Il s'est avéré être un hareng rouge – nous ne pouvons pas accélérer le processus de désintégration radioactive et de production de neutrinos, simplement en faisant un condensat de Bose-Einstein », explique Foraggio.
Synchronisé avec l'optique
Plusieurs années plus tard, Jones a revisité l'idée, avec un ingrédient supplémentaire: la superradiance – un phénomène d'optique quantique qui se produit lorsqu'une collection d'atomes électroluminescentes est stimulée pour se comporter en synchronisation. Dans cette phase cohérente, il est prévu que les atomes devraient émettre une explosion de photons qui est «superradiant» ou plus rayonnant que lorsque les atomes sont normalement hors synchronisés.
Jones a proposé de foraggio qu'un effet superradiant similaire est peut-être possible dans un condensat radioactif de Bose-Einstein, ce qui pourrait alors entraîner une explosion similaire de neutrinos. Les physiciens se sont rendus à la planche à dessin pour élaborer les équations de mécanique quantique régissant comment les atomes émettants de la lumière se transforment d'un état de départ cohérent dans un état superradiant. Ils ont utilisé les mêmes équations pour déterminer ce que feraient des atomes radioactifs dans un état de BEC cohérent.
« Le résultat est: vous obtenez beaucoup plus de photons plus rapidement, et lorsque vous appliquez les mêmes règles à quelque chose qui vous donne des neutrinos, cela vous donnera plus rapidement plus de neutrinos », explique Formaggio. « C'est à ce moment-là que les pièces ont cliqué ensemble, cette superradiance dans un condensat radioactif pourrait permettre à cette émission accélérée de neutrinos de type laser. »
Pour tester leur concept en théorie, l'équipe a calculé comment les neutrinos seraient produits à partir d'un nuage de 1 million d'atomes de Rubidium-83 à 83 millions. Ils ont constaté que, dans l'état de BEC cohérent, les atomes se décomposaient radioactivement à un rythme d'accélération, libérant un faisceau de neutrinos en forme de laser en quelques minutes.
Maintenant que les physiciens ont montré en théorie qu'un laser neutrinos est possible, ils prévoient de tester l'idée avec une petite configuration de table.
« Il devrait être suffisant pour prendre ce matériau radioactif, le vaporiser, le piéger avec des lasers, le refroidir, puis le transformer en condensat Bose-Einstein », explique Jones. « Ensuite, cela devrait commencer à faire cette superradiance spontanément. »
La paire reconnaît qu'une telle expérience nécessitera un certain nombre de précautions et une manipulation minutieuse.
« S'il s'avère que nous pouvons le montrer en laboratoire, alors les gens peuvent penser: pouvons-nous l'utiliser comme détecteur de neutrinos? Ou comme une nouvelle forme de communication? » Dit Formaggio. « C'est à ce moment-là que le plaisir commence vraiment. »
