Physicists devise an idea for lasers that shoot beams of neutrinos
AADes physiciens imaginent des lasers capables de projeter des faisceaux de neutrinos
Par Jennifer Chu, Massachusetts Institute of Technology
Édité par Gaby Clark, relu par Robert Egan
Notes de la rédaction
Comparaison des taux de désintégration de la fluorescence ordinaire et de la fluorescence RS du 86Rb. Crédit : Physical Review Letters (2025). DOI : 10.1103/l3c1-yg2l
À tout instant, des milliards de particules appelées neutrinos traversent notre corps et chaque matériau qui nous entoure, sans effet notable. Plus petites que les électrons et plus légères que les protons, ces entités fantomatiques sont les particules massives les plus abondantes de l'univers.
La masse exacte d'un neutrino est une grande inconnue. Cette particule est si petite et interagit si rarement avec la matière qu'elle est incroyablement difficile à mesurer. Les scientifiques tentent d'y parvenir en exploitant des réacteurs nucléaires et des accélérateurs de particules massifs pour générer des atomes instables, qui se désintègrent ensuite en divers sous-produits, dont les neutrinos. De cette manière, les physiciens peuvent fabriquer des faisceaux de neutrinos dont ils peuvent sonder les propriétés, notamment la masse des particules.
Des physiciens du MIT proposent désormais une méthode beaucoup plus compacte et efficace pour générer des neutrinos, réalisable dans le cadre d'une expérience de laboratoire.
Dans un article paru dans Physical Review Letters, les physiciens introduisent le concept de « laser à neutrinos » : une explosion de neutrinos qui pourrait être produite en refroidissant par laser un gaz d'atomes radioactifs à des températures inférieures à celles de l'espace interstellaire. À de telles températures glaciales, l'équipe prédit que les atomes devraient se comporter comme une seule entité quantique et se désintégrer radioactivement de manière synchronisée.
La désintégration des atomes radioactifs libère naturellement des neutrinos, et les physiciens affirment que dans un état quantique cohérent, cette désintégration devrait s'accélérer, tout comme la production de neutrinos. Cet effet quantique devrait produire un faisceau de neutrinos amplifié, globalement similaire à la façon dont les photons sont amplifiés pour produire une lumière laser classique.
« Dans notre concept de laser à neutrinos, les neutrinos seraient émis à une vitesse beaucoup plus rapide que d'habitude, un peu comme un laser émet des photons très rapidement », explique Ben Jones, co-auteur de l'étude, titulaire d'un doctorat (2015) et professeur agrégé de physique à l'Université du Texas à Arlington.
À titre d'exemple, l'équipe a calculé qu'un tel laser à neutrinos pourrait être réalisé en piégeant un million d'atomes de rubidium 83. Normalement, les atomes radioactifs ont une demi-vie d'environ 82 jours, ce qui signifie que la moitié des atomes se désintègrent, libérant un nombre équivalent de neutrinos, tous les 82 jours. Les physiciens démontrent qu'en refroidissant le rubidium 83 jusqu'à un état quantique cohérent, les atomes devraient subir une désintégration radioactive en quelques minutes seulement.
« Il s'agit d'une nouvelle méthode pour accélérer la désintégration radioactive et la production de neutrinos, une méthode qui, à ma connaissance, n'a jamais été utilisée », déclare Joseph Formaggio, co-auteur et professeur de physique au MIT.
L'équipe espère construire une petite démonstration sur table pour tester son idée. Si cela fonctionne, ils envisagent d'utiliser un laser à neutrinos comme nouveau moyen de communication, permettant d'envoyer les particules directement à travers la Terre vers des stations et des habitats souterrains. Le laser à neutrinos pourrait également être une source efficace de radio-isotopes, qui, avec les neutrinos, sont des sous-produits de la désintégration radioactive. Ces radio-isotopes pourraient être utilisés pour améliorer l'imagerie médicale et le diagnostic du cancer.
Condensé cohérent
Pour chaque atome de l'univers, il existe environ un milliard de neutrinos. Une grande partie de ces particules invisibles pourrait s'être formées dans les premiers instants suivant le Big Bang et persister dans ce que les physiciens appellent le « fond diffus cosmique de neutrinos ». Les neutrinos sont également produits lorsque des noyaux atomiques fusionnent ou se brisent, comme lors des réactions de fusion au cœur du Soleil et lors de la désintégration normale des matières radioactives.
Il y a plusieurs années, Formaggio et Jones ont chacun envisagé une nouvelle possibilité : et si un processus naturel de production de neutrinos pouvait être amélioré par la cohérence quantique ?
Les explorations initiales ont révélé des obstacles fondamentaux à cette réalisation. Des années plus tard, alors qu'ils discutaient des propriétés du tritium ultra-froid (un isotope instable de l'hydrogène qui subit une désintégration radioactive), ils se sont demandé : la production de neutrinos pourrait-elle être améliorée si des atomes radioactifs comme le tritium pouvaient être rendus si froids qu'ils pourraient atteindre un état quantique appelé condensat de Bose-Einstein ?
Un condensat de Bose-Einstein, ou BEC, est un état de la matière qui se forme lorsqu'un gaz de certaines particules est refroidi jusqu'à un niveau proche du zéro absolu. À ce stade, les particules sont ramenées à leur niveau d'énergie le plus bas et cessent de se déplacer individuellement. Dans cette phase de congélation, les particules peuvent commencer à ressentir les effets quantiques des autres et agir comme une seule entité cohérente – une phase unique pouvant donner lieu à une physique exotique.
Des BEC ont été réalisés dans de nombreuses espèces atomiques. (L'un des premiers exemples a été celui de Wolfgang Ketterle du MIT, co-prix Nobel de physique 2001, avec des atomes de sodium.) Cependant, personne n'a encore fabriqué de BEC à partir d'atomes radioactifs. Cela serait extrêmement difficile, car la plupart des radio-isotopes ont une courte période radioactive et se désintégreraient complètement avant d'être suffisamment refroidis pour former un BEC.
Formaggio s'est néanmoins demandé si, si des atomes radioactifs pouvaient être transformés en BEC, cela augmenterait-il la production de neutrinos ? En essayant de résoudre les calculs de mécanique quantique, il a d'abord constaté qu'un tel effet était peu probable.
« Il s'est avéré que c'était une fausse piste : on ne peut pas accélérer le processus de désintégration radioactive et la production de neutrinos en produisant simplement un condensat de Bose-Einstein », explique Formaggio.
Courriel
En phase avec l'optique
Plusieurs années plus tard, Jones a revisité cette idée en y ajoutant un ingrédient : la superradiance, un phénomène d'optique quantique qui se produit lorsqu'un ensemble d'atomes émetteurs de lumière est stimulé pour se comporter de manière synchronisée. Dans cette phase cohérente, il est prédit que les atomes devraient émettre une explosion de photons « superradiante », c'est-à-dire plus radiante que lorsque les atomes sont normalement désynchronisés.
Jones a suggéré à Formaggio qu'un effet superradiant similaire était peut-être possible dans un condensat de Bose-Einstein radioactif, ce qui pourrait alors entraîner une explosion de neutrinos similaire. Les physiciens se sont mis à la planche à dessin pour élaborer les équations de la mécanique quantique régissant la transformation des atomes émetteurs de lumière d'un état initial cohérent à un état superradiant. Ils ont utilisé les mêmes équations pour déterminer le comportement d'atomes radioactifs dans un état BEC cohérent.
« Le résultat est le suivant : on obtient beaucoup plus de photons plus rapidement, et en appliquant les mêmes règles à un produit produisant des neutrinos, on en obtient beaucoup plus rapidement », explique Formaggio. « C'est alors que les pièces du puzzle se sont assemblées : la superradiance d'un condensat radioactif pourrait permettre cette émission accélérée de neutrinos, comparable à celle d'un laser.»
Pour tester leur concept en théorie, l'équipe a calculé comment les neutrinos seraient produits à partir d'un nuage d'un million d'atomes de rubidium 83 surfondus. Ils ont constaté que, dans l'état BEC cohérent, les atomes se désintégraient radioactivement à un rythme accéléré, libérant un faisceau de neutrinos comparable à celui d'un laser en quelques minutes.
Maintenant que les physiciens ont démontré théoriquement la faisabilité d'un laser à neutrinos, ils prévoient de tester l'idée avec une petite installation de table.
« Il devrait suffire de prendre cette matière radioactive, de la vaporiser, de la piéger avec des lasers, de la refroidir, puis de la transformer en condensat de Bose-Einstein », explique Jones. « Il devrait alors commencer à produire spontanément cette superradiance.»
Le duo reconnaît qu'une telle expérience nécessitera un certain nombre de précautions et une manipulation minutieuse.
« Si nous parvenons à le démontrer en laboratoire, les gens pourront alors se demander : pouvons-nous l'utiliser comme détecteur de neutrinos ? Ou comme une nouvelle forme de communication ?», conclut Formaggio. « C'est là que le plaisir commence vraiment. »
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RESUME
Des physiciens imaginent des lasers capables de projeter des faisceaux de neutrinos.
À tout instant, des milliards de particules appelées neutrinos traversent notre corps et toute la matière qui nous entoure, sans effet notable. Plus petites que les électrons et plus légères que les protons, ces entités fantomatiques sont les particules massives les plus abondantes de l'univers.
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COMMENTAIRES
Trés interessant!!
On se demande pourtant
a la fin de la lecture de cet article pourquoi les physiciens se sont ils contentés de calculs et de prévisions et n 'ont pas rélisé la'' manip de labo'' ?????
XXXXXXXXX
More information: B. J. P. Jones et al, Superradiant Neutrino Lasers from Radioactive Condensates, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/l3c1-yg2l
Journal information: Physical Review Letters
Provided by Massachusetts Institute of Technology
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