Нобелевский лауреат математически доказал физическую невозможность создания нейтринного лазера

Проникая сквозь космические тела и человеческие ткани, нейтрино практически не вступают в реакции с материей. Эти загадочные лептоны обладают несколькими разновидностями, способны к осцилляциям и, вполне вероятно, выступают собственными античастицами. Теперь этот список пополнился еще одним примечательным фактом: концепция «нейтринного лазера», выдвинутая в 2025 году, оказалась физически нереализуемой.

Пионерами этой гипотезы выступили профессор MIT Джо Формаджо и Бен Джонс — бывший доцент Техасского университета в Арлингтоне, ныне представляющий Манчестерский университет. Они выдвинули предположение, что облако радиоактивных изотопов можно охладить до нанокельвиновых температур. Подобное охлаждение приводит к образованию бозе-эйнштейновского конденсата (БЭК), где ансамбль атомов функционирует как единый квантовый организм. Авторы рассчитывали, что подобный подход форсирует распад ядер и сфокусирует поток нейтрино в узкий лазерный луч.

Краеугольным камнем теории выступало сверхизлучение — квантовый феномен, при котором слаженная динамика частиц многократно наращивает интенсивность излучения в заданном векторе. Для фотонов подобный процесс уже фиксировался в лабораториях с использованием БЭК. Формаджо и Джонс предположили зеркальность механизма для бета-распада. В качестве модельного объекта рассматривался радиоактивный рубидий: по предварительным оценкам, в состоянии конденсата его период полураспада должен был сократиться с 86 суток до одной минуты. Стоит отметить, что бозе-эйнштейновский конденсат из радиоактивных атомных структур до сих пор не синтезирован.

Верификацию смелой концепции осуществил нобелевский лауреат Вольфганг Кеттерле, профессор физики Массачусетского технологического института и один из первооткрывателей БЭК. Опубликованные им в Physical Review Letters две научные работы демонстрируют наличие непреодолимых барьеров на двух фундаментальных уровнях.

Первый фактор связан с отдачей ядра. Оптический фотон обладает энергией порядка 1 эВ, тогда как распад ядра порождает нейтрино с энергией около 1 МэВ. В результате колоссального импульса атомарный остаток приобретает скорость, достигающую 10 Махов — десятикратного превышения звукового барьера. Атомы мгновенно покидают пределы конденсата. Математические модели Кеттерле доказали, что за столь мизерный отрезок времени в системе не успевают сформироваться необходимые квантовые корреляции — та самая «память» о предыдущем акте распада, способная синхронизировать траектории последующих частиц.

Но даже при гипотетическом исключении проблемы отдачи вступает в силу второй закон. Нейтрино принадлежат к фермионам, в то время как демонстрирующие сверхизлучение фотоны являются бозонами. Разница в спинах (полуцелый у фермионов и целый у бозонов) кардинально меняет их квантовую статистику. Расчеты подтвердили, что квантовый след испущенного фермиона формирует не усиливающую вектор «память», а деструктивную обратную связь: конденсат получает сигнал-запрет на генерацию следующей частицы в том же направлении. Вместо концентрации пучка возникает эффект подавления.

«Каждая из статей перечеркивает данную гипотезу», — подчеркнул Кеттерле. Со своей стороны, Формаджо охарактеризовал выводы коллег как строгую и конструктивную проверку первоначального замысла, отметив, что рождение нетривиальных теорий всегда требует жесткого научного аудита. Сам Кеттерле согласен, что смелые гипотезы двигают познание вперед, однако нейтринный лазер, судя по всему, оказался из разряда красивых иллюзий, невозможных в нашей физической реальности.

Источник: iXBT