中國原子能科學研究院 周書華 編譯自Kyle G. Leach. Physics， September 8，2025

本文選自《物理》2025年第10期

中微子可通過放射性同位素衰變產(chǎn)生。這樣產(chǎn)生的低能中微子缺乏對發(fā)射時間和方向的控制。此外，這些稀有衰變只能產(chǎn)生少量的中微子。

光子激光通過受激輻射產(chǎn)生相干光，這些光子的能量和方向都相同。光子是玻色子，可以共享同一個量子態(tài)，而中微子是費米子，受到泡利原理的阻止而不能處于同一量子態(tài)。此外，光子與原子的耦合非常強，而中微子與原子的相互作用非常弱，因此受激輻射基本上不可能實現(xiàn)。美國德克薩斯大學阿靈頓分校的 Benjamin Jones 和麻省理工學院的 Joseph Formaggio 基于超輻射現(xiàn)象提出了一種突破這些障礙的方法。

超輻射是指一群相同的原子集體發(fā)生的輻射，所產(chǎn)生的信號強度和相干性遠超過單個原子發(fā)射的總和。超輻射現(xiàn)象在光子中已被廣泛演示，擴展到中微子并無根本性障礙：該效應不依賴于發(fā)射粒子的統(tǒng)計特性，而依賴于發(fā)射體的統(tǒng)計特性。在玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)(BEC)中，原子本身占據(jù)相同的量子態(tài)，這使得中微子集體發(fā)射成為可能。

按照 Jones 和 Formaggio 基于超輻射的想法，需要由放射性銣-83(83Rb)原子組成的BEC，這些原子通過核的電子俘獲衰變，即一個原子的內(nèi)殼層電子被核內(nèi)的質(zhì)子吸收，將其轉(zhuǎn)化為中子并導致中微子的發(fā)射。通常，這種衰變是自發(fā)、隨機且非相干的。但當83Rb原子被冷卻到接近絕對零度并形成BEC時，它們共享相同的量子態(tài)并變得無法區(qū)分(見圖)。在這種高度關(guān)聯(lián)的狀態(tài)下，中微子發(fā)射可以協(xié)同發(fā)生。

(a)在高溫條件下，銣原子通過電子俘獲發(fā)生放射性衰變，以非相干方式釋放中微子；(b)當溫度足夠低時，這些原子會形成玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)，這種狀態(tài)的原子可以作為“中微子激光器”使用，發(fā)射出明亮、相干且具有方向性的中微子束流

有一個因素可能會破壞發(fā)射體的不可區(qū)分性：當一個原子發(fā)射中微子時，伴隨的核反沖可能會把正在衰變的原子從凝聚體中分辨出來，破壞凝聚體的相干性。然而，Jones 和 Formaggio 的計算表明，由于所有原子都占據(jù)相同的量子態(tài)，中微子實際上是整個凝聚體發(fā)射出來的，其相干性得以保持。

一個包含少量放射性同位素的BEC可以產(chǎn)生具有確定能量、動量和相位的中微子強脈沖。兩人的計算表明，大約100萬個83Rb原子(相當于10-18 g的銣)可能會產(chǎn)生巨大的放射效應。也就是說，超輻射會加速同位素的衰變，使其半衰期從86.2天縮短到約2.5分鐘。

為了實驗檢驗，Jones和Formaggio建議生成83Rb的BEC并觀察83Rb衰變中產(chǎn)生的氪及其同核異能素發(fā)射的特征γ射線或X射線。由于BEC的形成而增強的這些信號可以用最先進的探測器觀察到。事實上，有史以來第一個BEC使用的是穩(wěn)定的銣同位素87Rb。Jones 和 Formaggio 認為，通過共囚禁的穩(wěn)定銣原子來冷卻83Rb原子，可以實現(xiàn)83Rb的BEC。

凝聚體相關(guān)性不僅可以增強發(fā)射，而且可以增強吸收。因此，這樣的BEC可能會放大中微子捕獲概率，提高中微子探測的效率。這種效應的前景誘人，例如達到探測宇宙中微子背景(CNB，是大爆炸后最初幾秒的遺跡輻射)所需的靈敏度。與宇宙微波背景輻射相比，CNB的發(fā)射時間大約要早38萬年，因此能夠探測到宇宙更年輕時期的景象。然而這種可能性目前在實驗上還無法實現(xiàn)。

實現(xiàn)中微子激光需要對抗衰變損失以維持一個穩(wěn)定的放射性銣原子的BEC；確保反沖和其他過程不會破壞相干性；以及將協(xié)同發(fā)射引導至一個明確的方向上。但潛在的收益是巨大的。除了能夠用中微子進行精確測量之外，人們可以設(shè)想從中微子干涉儀到基于中微子通信等遙遠的諸多發(fā)展。

《物理》50年精選文章