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Quantengesetze verhindern den geplanten Neutrino-Laser
Ultrakalte radioaktive Atome sollten einen gebündelten Strahl aus Neutrinos erzeugen können. Zwei neue theoretische Arbeiten zeigen jedoch, weshalb dieses Laserkonzept scheitert: Der Rückstoß beim Atomzerfall zerstört die nötige Quantenordnung, und die Teilcheneigenschaften der Neutrinos verhindern eine zusätzliche kollektive Verstärkung. Damit fällt eine bislang diskutierte Möglichkeit zur gezielten Erzeugung der schwer nachweisbaren Teilchen weg.
Cambridge (U.S.A.). Neutrinos durchqueren gewöhnliche Materie fast ungehindert. Sie entstehen unter anderem bei radioaktiven Zerfällen, lassen sich wegen ihrer extrem schwachen Wechselwirkung aber kaum einfangen oder gezielt lenken. Ein Neutrino-Laser wäre deshalb ein ungewöhnliches Werkzeug für Experimente mit diesen Elementarteilchen.
Die 2025 vorgeschlagene Idee setzte auf eine besondere Eigenschaft stark abgekühlter Atome. In einem Bose-Einstein-Kondensat befinden sich viele Atome in einem gemeinsamen Quantenzustand, sodass sie unter bestimmten Bedingungen Licht verstärkt in dieselbe Richtung aussenden können. Diesen als Superradianz bezeichneten Effekt wollten die Urheber des Vorschlags auf den radioaktiven Zerfall übertragen. Für Rubidium-83 sagten ihre Modellrechnungen sogar eine Verkürzung der Halbwertszeit von rund 86 Tagen auf etwa eine Minute voraus.
Ein Team des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat die Voraussetzungen dieser Idee nun in zwei aufeinander bezogenen theoretischen Arbeiten untersucht. Dabei zeigt sich, dass nicht nur die tatsächlichen Bewegungen der Zerfallsprodukte, sondern bereits die grundlegenden Quantengesetze gegen die erhoffte Verstärkung sprechen. Die beiden Argumente greifen unabhängig voneinander.
„Diese beiden Arbeiten sind gewissermaßen der erste und der zweite Schlag. Jede einzelne hätte den Vorschlag zu Fall gebracht“, sagt Prof. Wolfgang Ketterle vom Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Bei einer superradianten Aussendung muss das Atomensemble die Quanteninformation über frühere Emissionen für eine gewisse Zeit bewahren. Nur dann können weitere Teilchen bevorzugt in derselben Richtung entstehen und den Prozess verstärken. Die neuen Berechnungen berücksichtigen jedoch auch, wie schnell die beim Zerfall entstehenden Tochteratome zurückgestoßen werden und wie viele unterschiedliche Abstrahlrichtungen möglich sind.
Die abgegebenen Neutrinos besitzen Energien im Bereich von einer Million Elektronenvolt und übertragen entsprechend große Impulse auf die zurückbleibenden Atome. Diese verlassen das ultrakalte Ensemble, bevor sich eine gemeinsame, verstärkende Wirkung aufbauen kann. Zugleich verteilt sich die Emission wegen der extrem kurzen Wellenlänge auf zahlreiche mögliche Richtungen. Für die untersuchten Laservorschläge liegt der berechnete Verstärkungsfaktor daher bei höchstens 10⁻¹⁶, beim konkreten Neutrino-Konzept noch darunter.
„Solange das zurückgestoßene Atom im Kondensat bleibt, kann es das Kondensat superradiant machen. Wenn aber ein Neutrino mit einer Energie von einer Million Elektronenvolt ausgesandt wird, prallt das Atom mit einer Geschwindigkeit zurück, die Mach 10 entspricht, schneller als ein Kampfjet. Das ist so schnell, dass das Atom fast augenblicklich verschwinden würde“, erklärt Prof. Wolfgang Ketterle.
Eine zweite Hürde bleibt selbst dann bestehen, wenn man den störenden Rückstoß gedanklich vollständig ausschaltet. Photonen, also Lichtteilchen, gehören zu den Bosonen. Mehrere von ihnen können denselben Quantenzustand besetzen, weshalb ihre Aussendung unter passenden Bedingungen gegenseitig verstärkt wird. Neutrinos sind dagegen Fermionen. Für sie gelten andere Vertauschungsregeln und das Pauli-Prinzip, das eine solche gemeinsame Besetzung gleicher Zustände einschränkt.
Die zweite theoretische Arbeit zeigt, dass sich die Übergangsamplituden bei der Emission von Neutrinos nicht wie bei Licht konstruktiv aufsummieren. Die höchstmögliche kollektive Emissionsrate wächst nur proportional zur Atomzahl, nich