中微子激光展望

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生。這樣產生的低能中微子缺乏對發射時間和方向的控制。此外，這些稀有衰變只能產生少量的中微子。

光子激光通過受激輻射產生相干光，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，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。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。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生的輻射，所產生的信號強度和相干性遠超過單個原子發射的總和。超輻射現象在光子中已被廣泛演示，擴展到中微子并無根本性障礙：該效應不依賴于發射粒子的統計特性，而依賴于發射體的統計特性。在玻色—愛因斯坦凝聚態(BEC)中，原子本身占據相同的量子態，這使得中微子集體發射成為可能。

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，即一個原子的內殼層電子被核內的質子吸收，將其轉化為中子并導致中微子的發射。通常，這種衰變是自發、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并變得無法區分(見圖)。在這種高度關聯的狀態下，中微子發射可以協同發生。

(a)在高溫條件下，銣原子通過電子俘獲發生放射性衰變，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，這種狀態的原子可以作為“中微子激光器”使用，發射出明亮、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射體的不可區分性：當一個原子發射中微子時，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相同的量子態，中微子實際上是整個凝聚體發射出來的，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衰變中產生的氪及其同核異能素發射的特征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使用的是穩定的銣同位素87Rb。Jones 和 Formaggio 認為，通過共囚禁的穩定銣原子來冷卻83Rb原子，可以實現83Rb的BEC。

凝聚體相關性不僅可以增強發射，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。

實現中微子激光需要對抗衰變損失以維持一個穩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；以及將協同發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，人們可以設想從中微子干涉儀到基于中微子通信等遙遠的諸多發展。

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