&bala; Física 18, 157
Um condensado de Bose-Einstein de átomos radioativos pode se transformar em uma fonte de feixes de neutrinos intensos, coerentes e direcionais, de acordo com uma proposta teórica.
Os neutrinos são as partículas maciças mais abundantes do universo, mas são as que sabemos menos. O que torna essas partículas ilusórias difíceis de estudar é sua fraca interação com a matéria – trilhões de neutrinos passam por nossos corpos a cada segundo, sem deixar um rastro. No entanto, os neutrinos podem manter segredos profundos sobre o universo – entender suas propriedades pode sugerir novas partículas e forças além do modelo padrão de física de partículas ou lançar luz sobre por que a matéria passou a dominar o antimatérias. Apesar dessas perspectivas tentadoras, algumas das questões mais básicas sobre neutrinos permanecem sem resposta. Para abordar essas questões experimentalmente, Benjamin Jones, da Universidade do Texas, em Arlington e Joseph Formaggio, do MIT, sugere que um condensado de Bose-Einstein (BEC) de átomos radioativos poderia oferecer uma plataforma para construir um “laser de neutrino” (1). O esquema geraria um feixe intenso e coerente de neutrinos que poderia ser uma ferramenta transformadora para estudos de neutrinos.
Muitas experiências de neutrinos foram realizadas em instalações de acelerador em larga escala, onde os neutrinos são produzidos a partir de colisões de partículas de alta energia. Mas como a partícula maciça mais leve conhecida (pelo menos um milhão de vezes mais leve que o elétron (2)), o neutrino também pode ser gerado e estudado em configurações controladas de baixa energia. Especificamente, pode ser produzido em decaimentos de isótopos radioativos e sondados por técnicas quânticas de alta precisão ou por meio de experimentos de física atômica, molecular e óptica (AMO). Este campo cresceu rapidamente nos últimos anos, fornecendo resultados experimentais únicos (3–5) e mostrar possibilidades intrigantes para futuras experiências (6). Mas encontrar a fonte certa de neutrinos para essas técnicas de precisão tem sido um desafio. Fontes baseadas em neutrinos de baixa energia de decaimentos radioativos carecem de controle sobre o tempo e a direção das emissões. Além disso, as fontes práticas que cumprem as regras de segurança radiológica precisam trabalhar com radioisótopos de longa duração, cujos decaimentos raros só podem gerar uma quantidade pouca de neutrinos.
Um conceito pure para produzir vigas de partículas brilhantes vem da óptica. Um laser gera luz coerente através da emissão estimulada, na qual um fóton desencadeia a emissão de muitos outros na mesma energia e na mesma direção. Os neutrinos podem ser persuadidos a se comportar da mesma maneira? A analogia falha rapidamente: os fótons são bósons que podem compartilhar o mesmo estado quântico, enquanto os neutrinos são férmions que são impedidos de fazê -lo pelo princípio de Pauli. E, diferentemente dos fótons, que se juntam fortemente aos átomos, os neutrinos interagem tão fracamente que a emissão estimulada é essencialmente impossível. Jones e Formaggio descrevem uma abordagem ousada para superar essas barreiras com base no fenômeno da superradiância (Fig. 1). Embora o conceito possa parecer ficção científica, está enraizado na física quântica bem estabelecida.
A superradiação ocorre quando um grupo de átomos idênticos emite radiação coletivamente, produzindo um sinal muito mais intenso e coerente que a soma das emissões atômicas individuais. Descrito pela primeira vez por Robert Dicke em 1954 (7), o efeito surge quando átomos indistinguíveis se aconchegam ao campo de radiação, formando um estado quântico correlacionado que decai cooperativamente. A superradiação tem sido extensivamente demonstrada com fótons, e sua extensão aos neutrinos não enfrenta barreiras fundamentais: o efeito não depende das estatísticas das partículas emitidas, mas da dos emissores. Em um BEC, os próprios átomos ocupam o mesmo estado quântico, tornando possível a emissão coletiva de neutrinos, apesar de sua natureza fermiônica.
A idéia baseada em superradiação de Jones e Formaggio envolve um BEC de Rubidium-83 radioativo (83Rb) átomos, que decaem por captura de elétrons nucleares. Nesse processo, o elétron de casca interna de um átomo é absorvido por um próton no núcleo, convertendo-o em um nêutron e causando a emissão de um neutrino. Geralmente, esses decaimentos ocorrem espontaneamente, aleatoriamente e incoerentemente. Mas quando o 83Os átomos de RB são resfriados para quase zero para formar um BEC, eles compartilham o mesmo estado quântico e se tornam indistinguíveis. Nesse estado altamente correlacionado, a emissão de neutrinos pode ocorrer cooperativamente.
Para que esse processo prossiga, a indistinguibilidade dos emissores quânticos deve ser preservada. Um fator pode estragar essa condição: quando um átomo emite um neutrino, o recuo nuclear que acompanha pode, em princípio, destacar o átomo em decomposição do conjunto e destruir a coerência do condensado. Os cálculos de Jones e Formaggio, no entanto, sugerem que esse efeito potencialmente prejudicial não deve ser impactante. Como todos os átomos ocupam o mesmo estado quântico, o neutrino é efetivamente emitido de todo o condensado, cuja coerência é preservada.
Como a superradiação escala com o quadrado do número de átomos correlacionados, um BEC contendo até um número modesto de radioisótopos pode gerar pulsos intensos de neutrinos com energia, momento e fase bem definidos-justificando a expressão de “laser de neutrinos”. De fato, os cálculos da dupla mostram que cerca de um milhão 83Os átomos de RB (um bilionésimo de um bilionésimo de grama de rubidium) podem ter um efeito dramático. Ou seja, a superradiação aceleraria a decadência do isótopo a ponto de sua meia-vida ser reduzida por quase um fator de 50.000: de 86,2 dias para cerca de 2,5 minutos.
Para testar seu conceito, Jones e Formaggio sugerem produzir 83RB BECS e observando a característica de raios gama ou emissão de raios-X de Krypton e Krypton Isômeros produzidos no 83RB Decay. Um aprimoramento desses sinais devido à formação de BEC deve ser observável com os detectores de última geração. Vale a pena notar que um BEC de radioativo 83A RB nunca foi feita, mas Becs de isótopos estáveis de rubídio (87RB) são produzidos rotineiramente. De fato, o primeiro Bec já demonstrou empregado 87RB (8). Jones e Formaggio argumentam que um 83O condensado de RB pode ser realizado através do resfriamento simpático, no qual os átomos de rubídio radioativo são resfriados por átomos de rubídio estáveis com cota. Essa abordagem parece viável com a atual tecnologia de átomo a frio.
Uma possibilidade intrigante, embora altamente especulativa, vem da contraparte de absorção da superradiância: em princípio, as correlações coletivas podem melhorar não apenas a emissão, mas também as taxas de absorção. Esse BEC pode, portanto, amplificar as probabilidades de captura de neutrinos, aumentando drasticamente a eficiência da detecção de neutrinos. Esse efeito aumentaria as perspectivas tentadoras, como alcançar a sensibilidade necessária para identificar o fundo teorizado de neutrinos cósmicos (CNB) – uma emissão de relíquia dos primeiros segundos após o Huge Bang. Comparado ao fundo cósmico de microondas, lançado cerca de 380.000 anos depois, o CNB forneceria uma sonda direta de um universo muito mais jovem. Jones e Formaggio observam, no entanto, que essa possibilidade permanece muito além do alcance experimental atual.
Perceber um laser de neutrinos exigirá a superação de vários desafios formidáveis: sustentar um BEC de radioativo 83RB contra perdas de decaimento, garantindo que os recuos e outros processos não estraguem a coerência e canalizando a emissão cooperativa em um modo direcional bem definido. Mas o retorno potencial é enorme. Além de permitir medições de precisão com neutrinos, pode-se prever desenvolvimentos distantes, desde interferometria de neutrinos até comunicações baseadas em neutrinos.
A combinação de conceitos de física nuclear, ciência da AMO e óptica quântica, Jones e Formaggio apresentaram uma visão que é especulativa e inspiradora. Se um laser de neutrinos é ou não construído ou não, as instruções inspiradas neste trabalho capturarão a imaginação da comunidade de neutrinos-físicos e além.
Referências
- BJP Jones e Ja Formaggio, “Lasers superradiantes de neutrinos de condensados radioativos”. Phys. Rev. Lett. 135111801 (2025).
- Colaboração de Katrin et al.“Medição direta de massa de neutrino com base em 259 dias de dados de katrin”. Ciência 388180 (2025).
- J. Smolsky et al.“Restrições experimentais diretas na extensão espacial de um pacote de ondas de neutrino”. Natureza 638640 (2025).
- A. Ashtari Esfahani et al. (Projeto 8 colaboração), “Espectroscopia de emissão de radiação ciclotron de elétrons do tritium decadência e 83mKR Conversão interna ”. Phys. Rev. c 109035503 (2024).
- S. Friedrich et al.“Limites à existência de neutrinos estéreis submevados da decomposição de 7Estar em sensores quânticos supercondutores ” Phys. Rev. Lett. 126021803 (2021).
- D. Carney et al.“Procura neutrinos maciços com sensores quânticos mecânicos”. Prx Quantum 4010315 (2023).
- RH Dicke, “Coerência nos processos de radiação espontânea”. Phys. Rev. 9399 (1954).
- MH Anderson et al.“Observação da condensação de Bose-Einstein em um vapor atômico diluído”. Ciência 269198 (1995).
