Triljoonia neutriinoja – pieniä hiukkasia, jotka eivät käytännössä ole vuorovaikutuksessa aineen kanssa – kulkee joka sekunti lävitse kehomme. Nämä hiukkaset ovat pienempiä kuin elektronit ja kevyempiä kuin fotonit, mutta ne ovat kuitenkin universumin massaltaan runsaslukuisimpia hiukkasia. Tästä huolimatta niiden ominaisuudet ovat edelleen yksi modernin fysiikan suurimmista mysteereistä.
Fyysikot Massachusetts Institute of Technology -yliopistosta ovat ehdottaneet rohkeaa tapaa tutkia neutriinoja uudella tavalla: luoda maailman ensimmäinen neutriinoihin perustuva laser. Toisin kuin tilaa vievät reaktorit ja hiukkaskiihdyttimet, laite mahtuisi laboratoriopöydälle.
Tutkijat ovat kuvanneet työssään, että radioaktiivisten atomien kaasun jäähdyttäminen avaruuden kylmyyttä alempiin lämpötiloihin mahdollistaa niiden radioaktiivisen hajoamisen synkronoinnin. Tällaisessa kvanttitilassa atomit alkavat emittoida voimakasta neutriinovirtaa – samaan tapaan kuin fotonit muodostavat vahvistetun laser säteen.
”Konseptissamme neutrinolaserista hiukkaset säteilevät paljon nopeammin kuin tavallisesti, suunnilleen samalla tavalla kuin laser tuottaa fotoneja suurella nopeudella”, selitti Ben Jones, fysiikan apulaisprofessori Texasin yliopistossa Arlingtonissa ja tutkimuksen toinen kirjoittaja.
Tavallisissa olosuhteissa radioaktiiviset atomit hajoavat hitaasti. Esimerkiksi rubidium-83:n puoliintumisaika on 82 päivää – puolet atomeista vapauttaa neutriinon lähes kolmen kuukauden aikana. Laskelmat ovat kuitenkin osoittaneet, että jos miljoona tällaista atomia jäähdytetään Bose-Einstein-kondensaatin tilaan, jossa ne alkavat käyttäytyä yhtenä kokonaisuutena, synkronoitu hajoaminen tapahtuu vain muutamassa minuutissa. Tämä tuottaa nopean ja koherentin neutrinovirran.
”Tämä on täysin uusi tapa nopeuttaa radioaktiivista hajoamista ja saada neutriinoja, mitään vastaavaa ei ole tehty aiemmin”, totesi MIT:n professori Joseph Formaggio. Tutkijat tukeutuvat tunnettuun optiseen superemissioefektiin, jossa atomit emittoivat fotoneja synkronisesti, vahvistamalla valovirtaa. Soveltamalla samoja lakeja radioaktiivisiin atomeihin voidaan saavuttaa samanlainen vahvistettu neutriinoemissio.
Jos koe osoittautuu onnistuneeksi, neutriinolaser avaa odottamattomia mahdollisuuksia. Yksi niistä on viestintä : tällaiset säteet eivät käytännössä ole vuorovaikutuksessa aineen kanssa, joten ne voivat kulkea maapallon läpi ja saavuttaa maanalaiset asemat tai avaruusobjektit ilman häiriöitä. Toinen sovellusalue on lääketiede: radioaktiivisen hajoamisen aikana syntyvät isotoopit voidaan käyttää kasvainten diagnosointiin ja visualisointiin.
”Riittää, kun otetaan radioaktiivista materiaalia, höyrystetään se, vangitaan lasereilla, jäähdytetään ja muutetaan Bose-Einstein-kondensaatiksi, minkä jälkeen superkiirto alkaa itsestään”, Jones selitti.
Tällaisen laitteen rakentaminen on erittäin vaikea tehtävä. Tähän mennessä kukaan ei ole saanut kondensaattia radioaktiivisista atomeista, ja työ vaatii äärimmäistä tarkkuutta ja tiukkoja turvallisuustoimenpiteitä. Tutkijat ovat kuitenkin vakuuttuneita, että idean esittely pienessä mittakaavassa on mahdollista. ”Jos tämä onnistuu osoittamaan laboratoriossa, voidaan miettiä, voidaanko laitetta käyttää neutriinodetektorina tai uutena viestintätapana? Silloin alkaa mielenkiintoisin osa”, lisäsi Formaggio.
