Фермионная статистика не позволила создать нейтринный лазер

Предложенная ранее идея нейтринного лазера оказалась несостоятельной: исследователи из США установили, что фермионная природа нейтрино не позволяет получить необходимое усиление излучения. Работа ученых опубликована в Physical Review Letters, сообщает N + 1.

Исследование посвящено сверхизлучению Дике — явлению, при котором большое число излучателей совместно испускает фотоны через общее электромагнитное поле. В определенных условиях скорость такого излучения растет пропорционально квадрату числа атомов. Именно этот эффект Бен Джонс и Джозеф Формаджо предложили использовать для нейтринного лазера.

Согласно их концепции, радиоактивные атомы рубидия-83 должны были образовать конденсат Бозе — Эйнштейна. При электронном захвате рубидий превращается в криптон-83 и испускает нейтрино. Для системы из миллиона атомов авторы предполагали сокращение времени распада половины вещества с 86,2 дня до примерно 148 секунд благодаря коллективному испусканию.

Юй-Кун Лу, Ханчжэнь Линь и Вольфганг Кеттерле из Массачусетского технологического института решили проверить, сохраняется ли механизм сверхизлучения для частиц-фермионов. Для этого они рассмотрели идеализированную систему с максимально благоприятными условиями: атомы находились на расстоянии меньше длины волны нейтрино, а отдача, доплеровские сдвиги и быстрый распад дочерних атомов не учитывались.

Расчеты показали, что статистика частиц препятствует квадратичному усилению. В фотонной системе операторы переходов разных атомов коммутируют, поэтому амплитуды могут складываться. У нейтрино эти операторы антикоммутируют, из-за чего часть амплитуд взаимно подавляется. В результате скорость коллективного испускания возрастает лишь линейно с числом излучающих центров.

Дополнительное объяснение ученые нашли в принципе запрета Паули. После первого коллективного испускания в системе возникает фермионное коллективное возбуждение, которое препятствует следующему усиленному переходу. Поэтому последовательного каскада распадов, усиливающего последующие испускания, не происходит.

Ограничение действует не только для рассмотренной модели атомов, но и для произвольных многочастичных систем, в том числе молекул. Коллективное испускание нейтрино возможно, однако получить квадратичное усиление, необходимое для нейтринного лазера, не удастся, сообщает "Самара Онлайн 24".