Láseres de neutrinos: una idea que muchos físicos no vieron venir.

A primera vista, la física sugiere que sería imposible crear un láser de neutrinos, partículas subatómicas famosas por su esquivabilidad. Pero un truco poco convencional plantea esta posibilidad.

Un fenómeno de la mecánica cuántica llamado superradiancia sustenta esta idea. En la superradiancia, un grupo de átomos es inducido a emitir luz colectivamente en una ráfaga, en lugar de hacerlo de forma intermitente. En las condiciones adecuadas, la superradiancia podría producir una ráfaga de neutrinos, según informan los físicos en la revista Physical Review Letters del 12 de septiembre. Estos rayos podrían facilitar nuevos estudios sobre neutrinos y física cuántica.

“Es muy raro ver ideas y pensamientos tan nuevos y originales”, afirma el físico de neutrinos Carlos Argüelles, de la Universidad de Harvard. “Esto es simplemente genial”.

Los láseres tradicionales se basan en el concepto de emisión estimulada, en el que una partícula de luz estimula la emisión de más luz. (La palabra «láser» es, en realidad, un acrónimo que hace referencia a este proceso: Amplificación de la Luz por Emisión Estimulada de Radiación). Sin embargo, la emisión estimulada solo se aplica a partículas de luz y a otras partículas de la misma categoría, conocidas como bosones. Los neutrinos, una clase diferente de partículas llamadas fermiones, no se ajustan a este concepto.

Presentamos la superradiancia, un método no tradicional para crear láseres. El efecto produce una ráfaga de luz o partículas emitidas en la misma dirección y con la misma energía, como en un rayo láser estándar. Y la superradiancia se aplica no solo a los bosones, sino también a los fermiones, incluyendo los neutrinos. Y esto, según Benjamin Jones, físico de la Universidad de Texas en Arlington, "no parece haber sido ampliamente reconocido antes".

Él y el físico Joseph Formaggio, del MIT, desenterraron esa joya olvidada y la explotaron. Idearon un plan para aprovechar la superradiancia y producir neutrinos, algo que esperan que pronto pueda demostrarse en el laboratorio.

La técnica requiere un condensado de Bose-Einstein, un estado de la materia en el que los átomos se enfrían lo suficiente como para adoptar el mismo estado cuántico. Pero hay una peculiaridad: el condensado de Bose-Einstein debe ser radiactivo. Jones y Formaggio proponen utilizar una variedad radiactiva del elemento rubidio, el rubidio-83, que produce un neutrino al desintegrarse.

Normalmente, el rubidio-83 se desintegra con una vida media de aproximadamente 86 días. Sin embargo, en el caso del rubidio-83 en un condensado de Bose-Einstein, dicha desintegración se aceleraría drásticamente. Un millón de átomos de rubidio-83 se desintegrarían con una vida media de minutos, produciendo una oleada de neutrinos. Para un mayor número de átomos, la aceleración sería aún mayor.

La superradiancia se deriva del concepto de superposición de la mecánica cuántica, según el cual las partículas existen en dos estados a la vez. Si se produce una desintegración radiactiva en un grupo de átomos idénticos, como en un condensado de Bose-Einstein, puede ser imposible saber cuál se desintegró. Esto crea una superposición en la que los átomos se han desintegrado y también los que no. Y una vez que se han producido múltiples desintegraciones, habrá muchos órdenes posibles en los que los distintos átomos podrían haberse desintegrado: es imposible determinar qué átomo se desintegró primero, cuál se desintegró segundo, y así sucesivamente. Esta situación acelera la tasa de desintegración radiactiva y las emisiones de neutrinos.

Crear un láser de neutrinos sería un desafío, afirma el físico nuclear Kyle Leach, de la Escuela de Minas de Colorado en Golden. Pero «no hay ninguna razón conceptual convincente para que no funcione, al menos no en mi opinión. Y si tiene éxito, los beneficios son enormes». Si los físicos consiguen hacerse con láseres de neutrinos, añade Leach, «podrían empezar a pensar en realizar una amplia gama de nuevos experimentos de física que de otro modo no podrían llevarse a cabo».

La técnica podría ayudar a los físicos de neutrinos a liberarse de su dependencia de las costosas instalaciones de aceleradores de partículas, donde actualmente se producen haces de neutrinos. Si bien los láseres de neutrinos no podrían igualar las energías o intensidades de los haces de aceleradores, estos tendrían algo que estos no tienen. En un láser de neutrinos, las partículas estarían correlacionadas: «De alguna manera, se coordinan en un sentido mecanocuántico», afirma Argüelles.

Esta característica podría ayudar a los físicos a estudiar el comportamiento colectivo de las partículas cuánticas, como cuando una estrella envejecida colapsa y explota en una supernova. Allí, se producen grandes cantidades de neutrinos simultáneamente. La masa de neutrinos resultante se comporta colectivamente de una manera que aún no se comprende bien. Los láseres de neutrinos podrían ser útiles. Y en un futuro lejano, Leach imagina disparar dos láseres de neutrinos entre sí para ver cómo interferirían.

Pero primero, los investigadores necesitan demostrar que su idea es real. «Este es un experimento que se puede realizar, y se puede realizar en un laboratorio universitario», dice Jones. «Así que deberíamos averiguar si este proceso realmente ocurre como decimos».

Citas

BJP Jones y JA Formaggio. Láseres de neutrinos superradiantes a partir de condensados ​​radiactivos . Physical Review Letters . Vol. 135, 12 de septiembre de 2025, 111801. doi: 10.1103/l3c1-yg2l.

Por Emily Conover​

​Autor​