Neutrinolaser volgens berekening MIT-onderzoekers ‘onmogelijk’

Vorig jaar kwamen natuurkundigen met een theoretisch voorstel om een laserstraal van neutrino’s te maken. Onderzoekers van MIT hebben het idee nu doorgerekend en komen tot een duidelijke conclusie: een neutrinolaser kan volgens de bekende natuurwetten helemaal niet werken.

Neutrino’s zijn elementaire deeltjes die nauwelijks reageren met gewone materie. Juist die geringe interactie maakt ze interessant, maar ook bijzonder moeilijk te detecteren en te manipuleren. Het oorspronkelijke idee voor een neutrinolaser draaide om zogeheten superradiantie. Daarbij wordt een wolk atomen afgekoeld tot vlak boven het absolute nulpunt. De atomen kunnen dan een Bose-Einsteincondensaat (BEC) vormen, waarin ze zich gezamenlijk als één quantummechanisch systeem gedragen.

Bij licht kan zo’n condensaat een versterkend effect veroorzaken. Wanneer een foton wordt verstrooid, ontstaat in het condensaat als het ware een geheugen van die gebeurtenis. Daardoor wordt het waarschijnlijker dat volgende fotonen dezelfde kant op worden gestuurd. Natuurkundigen Joe Formaggio en Ben Jones stelden eerder voor om dit principe toe te passen op radioactieve atomen. Bij hun verval komen neutrino’s vrij. Wanneer de atomen onderdeel zijn van een BEC, zou hun verval volgens de hypothese gezamenlijk kunnen worden versterkt en zouden de neutrino’s voornamelijk dezelfde kant op vliegen.

Terugslag is veel te groot

MIT-natuurkundige Wolfgang Ketterle zag echter een fundamenteel probleem: de hoeveelheid energie waarmee neutrino’s bij radioactief verval vrijkomen. Een zichtbaar foton heeft typisch een energie in de orde van één elektronvolt, terwijl de neutrino’s in het voorstel ongeveer een miljoen keer zoveel energie kunnen meekrijgen.

Door behoud van impuls krijgt het achterblijvende atoom daardoor een flinke terugslag. Volgens de berekeningen zou zo’n atoom met een snelheid vergelijkbaar met ongeveer Mach 10 uit het condensaat schieten. Dat gebeurt zo snel, dat de noodzakelijke versterking daardoor niet ontstaat.

Fermionen en bosonen

Er is nog een fundamenteler probleem. Neutrino’s zijn fermionen, terwijl fotonen bosonen zijn. Bosonen kunnen dezelfde quantumtoestand bezetten, wat het versterkende gedrag achter een gewone laser mogelijk maakt. Voor identieke fermionen verhindert het uitsluitingsprincipe van Pauli juist dat ze dezelfde quantumtoestand innemen.

Het veronderstelde geheugeneffect zou daardoor precies andersom werken: de emissie van een neutrino maakt het juist minder waarschijnlijk dat een volgend neutrino in dezelfde toestand terechtkomt. Zowel dit effect als de sterke terugslag is volgens de onderzoekers afzonderlijk voldoende om het voorgestelde laserprincipe onderuit te halen. Formaggio, een van de bedenkers van het oorspronkelijke concept, verwelkomt de kritiek en sluit niet uit dat het idee uiteindelijk experimenteel wordt getest.