سرد کردن اتم‌های رادیواکتیو مطالعه ذرات نامرئی را ممکن میکند!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،نوترینو‌ها ذراتی تقریبا بی‌اثر هستند که هر لحظه میلیارد‌ها نمونه از آنها از بدن انسان و اشیاء اطراف ما عبور می‌کنند، بدون اینکه ردی از خود بر جای بگذارند. این ذرات کوچکتر از الکترون و سبک‌تر از فوتون هستند و با وجود فراوانی بالا، جرم دقیق آنها هنوز ناشناخته مانده است. اندازه‌گیری نوترینو‌ها به دلیل کوچک و بی‌اثر بودنشان بسیار دشوار است.

به گزارش science techdaily، برای این منظور دانشمندان از راکتور‌های هسته‌ای و شتاب‌دهنده‌های ذرات برای تولید اتم‌های ناپایدار استفاده می‌کنند که هنگام واپاشی نوترینو آزاد می‌کنند.

اکنون فیزیکدانان MIT رویکردی بسیار فشرده و کارآمد برای تولید نوترینو پیشنهاد داده‌اند که می‌تواند روی میز آزمایشگاهی انجام شود. در مقاله‌ای که در Physical Review Letters منتشر شده، آنها مفهوم لیزر نوترینو را ارائه کرده‌اند؛ پرتویی از نوترینو که می‌تواند با سرد کردن گاز اتم‌های رادیواکتیو تا دما‌هایی پایین‌تر از فضای بین‌ستاره‌ای تولید شود. در این دما‌های بسیار سرد، انتظار می‌رود اتم‌ها به عنوان یک واحد کوانتومی عمل کرده و هم‌زمان واپاشی رادیواکتیو انجام دهند.

واپاشی طبیعی اتم‌های رادیواکتیو باعث آزاد شدن نوترینو می‌شود و فیزیکدانان معتقدند که در حالت کوانتومی همگن این واپاشی شتاب می‌گیرد و پرتوی نوترینو تقویت می‌شود، مشابه روشی که در نور معمولی فوتون‌ها تقویت می‌شوند. بن جونز، استاد فیزیک دانشگاه تگزاس در آرلینگتون و نویسنده همکار مطالعه توضیح می‌دهد: در مفهوم لیزر نوترینو، نوترینو‌ها با سرعت بسیار بیشتری نسبت به حالت عادی منتشر می‌شوند، درست همانند فوتون‌هایی که در لیزر سریع منتشر می‌شوند.

محققان محاسبه کرده‌اند که چنین لیزری می‌تواند با به‌دام انداختن یک میلیون اتم روبیدیوم-۸۳ تولید شود. به طور معمول، این اتم‌ها نیمه‌عمر حدود ۸۲ روز دارند، به این معنا که نیمی از آنها در هر ۸۲ روز واپاشی می‌کنند و نوترینو آزاد می‌کنند. اما با سرد کردن این اتم‌ها به حالت کوانتومی همگن، واپاشی رادیواکتیو می‌تواند در عرض چند دقیقه رخ دهد و پرتوی لیزری نوترینو ایجاد شود.

جوزف فورماجی، استاد فیزیک MIT و همکار مطالعه می‌گوید: این روش روشی نوآورانه برای شتاب دادن واپاشی رادیواکتیو و تولید نوترینو است که تا کنون سابقه نداشته.

چگالش بوز-اینشتاین و هم‌زمانی کوانتومی

چگالش بوز-اینشتاین (BEC) حالتی از ماده است که وقتی گاز برخی ذرات به نزدیک صفر مطلق سرد شود، ذرات به پایین‌ترین سطح انرژی خود می‌رسند و به‌صورت یک واحد همگن رفتار می‌کنند. در این وضعیت، ذرات می‌توانند اثرات کوانتومی یکدیگر را حس کنند و به عنوان یک موجودیت واحد عمل کنند. پیش از این BEC با اتم‌های پایدار مانند سدیم انجام شده، اما ایجاد آن از اتم‌های رادیواکتیو بسیار چالش‌برانگیز است، زیرا اغلب ایزوتوپ‌ها نیمه‌عمر کوتاهی دارند.

در ادامه محققان با استفاده از پدیده ابرنوردهی (Superradiance) رخدادی در اپتیک کوانتومی که باعث می‌شود اتم‌های تابش‌کننده نور به طور همزمان و هماهنگ عمل کنند، پیشنهاد دادند که شاید اثر مشابهی در اتم‌های رادیواکتیو BEC ایجاد شود و پرتوی شبیه لیزر نوترینو تولید گردد.

محققان قصد دارند مفهوم خود را در آزمایشگاه با یک نمونه کوچک روی میز آزمایشگاهی امتحان کنند. آنها تصور می‌کنند که اگر موفق شوند، لیزر نوترینو می‌تواند به عنوان یک روش ارتباطی نوین، ارسال مستقیم ذرات از طریق زمین به ایستگاه‌ها و سکونتگاه‌های زیرزمینی و همچنین به عنوان منبع کارآمد ایزوتوپ‌های رادیواکتیو برای تصویربرداری پزشکی و تشخیص سرطان استفاده شود.

جونز توضیح می‌دهد: کافی است این ماده رادیواکتیو را تبخیر کنیم، با لیزر به دام اندازیم، سرد کنیم و به چگالش بوز-اینشتاین برسانیم. سپس این پدیده ابرنوردهی به‌طور خودبه‌خود رخ می‌دهد.

فورماجی می‌گوید: اگر بتوانیم این آزمایش را در آزمایشگاه نشان دهیم، آنگاه می‌توانیم درباره استفاده از آن به عنوان آشکارساز نوترینو یا روش‌های ارتباطی جدید فکر کنیم. اینجاست که جذابیت واقعی شروع می‌شود.