Bild https://icecube.wisc.edu/ Teleskopet på Antarktis är konstruerat för att detektera neutriner. Nobelpriset i fysik 2026 gick till Francis Halzen, University of Wisconsin–Madison, USA. Halzen var med från början i att bygga upp observatoriet och är fortfarande engagerad i arbetet med att detektera neutriner från yttre rymden för att förstå mer om dessa och hur deras väg mot oss började.
Neutriner är de genomträngande men ändå ogripbara partiklar som genomsyrar universum och strömmar genom hela planeter, stjärnor och våra kroppar i biljoner varje sekund. Elementarpartiklarna beskrivs ofta som "spöklika" på grund av sin nära noll massa och sin svårfångade natur. De har mycket liten interaktion med vanlig materia.
Sedan dess upptäckt 1956 har neutriner fortsatt att överraska fysiker med sina oväntade egenskaper och beteenden. Till exempel finns partiklarna i flera "smaker" och de kan förvandla sig från den ena till den andra som subatomära formskiftare. Neutriner kan också vara sin egen antipartikel, i en Jekyll-och-Hyde-liknande kvantdualitet. Dess extremt svaga interaktioner gör dem nästan omöjliga att upptäcka.
2025 verkade forskarna bidra än mer till partikelns mystik med ett utarbetat koncept till en neutrinolaser. De föreslog att en koncentrerad neutrinostråle kunde produceras genom att kyla ett moln av radioaktiva atomer till nanokelvin-temperaturer, en miljarddel av temperaturen i interstellär rymd (0.000000001 Celsius). Om atomerna saktar ner till nästan frusen krypning bildar de ett Bose-Einstein-kondensat och bör fungera som en kvant, koherent helhet som påskyndar och förstärker deras radioaktiva sönderfall.
Fysikerna antog att neutriner som är en naturlig biprodukt av radioaktivt sönderfall också borde förstärkas och att en sådan process skulle avge en laserliknande stråle av spöklika partiklar.
Men MIT-fysiker har nu visat att neutrinolaserkonceptet och ett liknande förslag för gammastrålar är omöjligt att realisera. I två kompletterande artiklar som publiceras nyligen i Physical Review Letters presenterar Wolfgang Ketterle, John D. MacArthur Professor i fysik vid MIT (Massachusetts Institute of Technology), tillsammans med postdoktorerna Hanzhen Lin och Yu-Kun Lu, en tvådelad analys som visar att båda koncepten är fysiskt och fundamentalt omöjliga. Mer specifikt har de visat att neutrinolaserkonceptet är bristfälligt, på grund av "rekyl" (alltså den kinetiska energi som skapas av reaktionen) och på grund av neutrinos grundläggande "fermioniska" natur.
MIT-professorn i fysik Joe Formaggio, har tillsammans med Ben Jones, som då var docent i fysik vid University of Texas i Arlington, var den som lagt fram neutrinolaserförslaget (skapandet av en neutrinolaser) och ser de nya resultaten som en övertygande och konstruktiv utmaning.
"När en ny idé som den vi föreslog delas är det samhällets plikt att granska den. Sådan är den vetenskapliga processen," beskriver Formaggio. "Det var verkligen fantastiskt att se hur vår artikel genererade mycket utanför vårt ursprungliga koncept. Vi misstänker att det kommer att fortsätta."
Förslaget om en neutrinolaser baserades på idén om "superstrålning" en kvantmekanisk, förstärkande effekt som endast observerats med fotoner (ljuspartiklar)
En form av superstrålning uppstår när ett moln av atomer kyls ner till nära den absoluta nollpunkten (vilken är -273,15 °C) vid vilken punkt en atoms rörelse bestäms inte av termiska effekter, utan enbart av kvantosäkerhet. I detta tillstånd av nästan stillastående tillstånd som kallas ett "Bose-Einstein-kondensat" (BEC), rör sig atomerna i takt, som en kvantkorrelerad helhet.
Om fotoner pumpas in i kondensatet som en laserstråle, synkroniseras atomerna och sprider ut fotonerna i exakt samma riktning som de kom in. I kontrast skulle ett moln av atomer vid rumstemperatur helt enkelt sprida fotonerna i slumpmässiga riktningar vilket i bästa fall ger ett mjukt sken. När fotoner sprids från atomer bör atomerna i sin tur "rekylera", som om de fysiskt tryckts bakåt av nedslaget. I en BEC, där atomerna rekylerar i takt ökar hastigheten med vilken de sprider fotoner i samma riktning exponentiellt. Denna förstärkande effekt resulterar i en "superstrålande" laser av fotoner, som forskare har observerat.
I sitt förslag föreslog Formaggio och Jones, som nu finns vid University of Manchester, att samma superradianta effekt skulle kunna vara möjlig för radioaktiva atomer, som naturligt avger neutriner när de sönderfaller. Om ett moln av radioaktiva atomer kyldes ner för att bilda ett Bose-Einstein-kondensat, skulle en liknande förstärkande effekt aktiveras och generera en koncentrerad stråle av neutriner när atomerna sönderfaller i takt. För att illustrera sin poäng beskrev de ett scenario där ett moln av radioaktiva rubidiumatomer som kylts ner till en BEC, skulle påskynda sitt radioaktiva sönderfall från en halveringstid på 86 dagar till en minut.
Ingen har någonsin klarat av att producera en BEC från radioaktiva atomer. Men om det kunde göras, borde kvanttillståndet i teorin producera en neutrinolaser.
För Ketterle verkade idén för bra för att vara sann. Ketterle är den ledande experten på Bose-Einstein-kondensat. Han var med och upptäckte Bose-Einstein-kondensat 1995 upptäckten han delade Nobelpriset i fysik 2001.
Han och hans grupp vid MIT har avslöjat många överraskande egenskaper i Bose-Einstein-kondensat och annan ultrakall materia där atomernas energi är som lägst.
"Min erfarenhet har alltid varit att kondensatet kan göra många saker vid låg energi superfluiditet, virvlar och om du talade i ett rum fyllt med kondensat, skulle det ta en timme innan du hörde min röst. Så långsamt är kondensatet," beskriver Ketterle.
Jämfört med synliga fotoner, som har en energi på 1 elektronvolt, emitteras neutriner naturligt när atomer sönderfaller, med en miljon gånger mer energi. När en neutrino skjuter ut från en atom bör emissionen i sin tur få atomen att rekylera en miljon gånger starkare än synliga fotoner.
"Så länge rekylatomen stannar i kondensatet kan den göra kondensatet superstrålande," beskriver Ketterle. "Men när en neutrino sänds ut med en miljon elektronvolt, rekylerar atomen med hastigheter motsvarande Mach 10, snabbare än ett stridsflygplan. Det här går så snabbt att atomen nästan omedelbart skulle försvinna."
Ändå antogs i neutrinolaserförslaget att den undkomna atomen skulle lämna ett slags kvantavtryck i kondensatet vilket påverkar kondensatet som helhet att avge framtida neutriner i exakt samma laserliknande riktning.
Men i den första av två nya artiklar visar Ketterle och hans team genom en teoretisk analys att så inte är fallet. De övervägde en modell som beskriver superradians. Denna modell bestämmer de förhållanden som skulle leda till superstrålning av fotoner. Ketterle tillämpade modellen på fallet med radioaktiva atomer och neutriner.
Dessa beräkningar visade att superstrålning inte var möjlig i alla scenarier teamet övervägde. Atomen backade helt enkelt tillbaka för snabbt för att något kvantavtryck skulle kunna byggas upp. Det var som om kondensatet omedelbart förlorade "minnet" hos neutrinon som sändes ut och därför fortsatte att sända ut neutriner likt atomer normalt skulle göra, utan förstärkning.
I sin andra artikel visade MIT-forskarna att konceptet med neutrinolaser, förutom att vara omöjligt på grund av en fysisk rekyleffekt grund av neutrinernas grundläggande natur.
De fann att även om en rekylatom skulle lämna ett kvantavtryck i kondensatet, skulle avtrycket inte vara vad som skulle avges härnäst, utan snarare vad som inte skulle avges. Med andra ord skulle minnet hos den emitterade neutrinon tala om för kondensatet att sända ut nästa neutrino i någon annan riktning vilket förhindrar uppbyggnaden av en riktad neutrinostråle. Forskarna visade att detta motsatta minne, eller "anti-korrelation", beror på att en neutrino i grunden är en fermion.
Fermioner och bosoner är de två grundläggande klasserna av partiklar som utgör all materia i universum. Bosoner är partiklar med heltalsspinn, såsom fotoner. Till skillnad från detta har fermioner, såsom elektroner och neutriner, halvheltalsspinn. Om en partikel har ett helt eller halvt heltalsspinn avgör hur den interagerar på kvantnivå med andra partiklar.
"Inom superstrålning handlar det om en minneseffekt eller kvantkorrelationer i kondensatet. Och i det sammanhanget trodde forskare att vad som än avges från kondensatet spelar det ingen roll om det är en boson eller en fermion," förklarar Ketterle. "Men vi analyserade det och om du beskriver det korrekt för emitterade fermioner får du ett antiminne, vilket gör att kondensatet inte accelererar i en superstrålande form. Den har snarare minnet att inte göra det."
Ketterle, Formaggio och Jones har träffats vid flera tillfällen för att diskutera det ursprungliga neutrinolaserförslaget och Ketterles utmaning till det.
"Jag misstänker att någon dag kommer någon att göra experimentet," beskriver Formaggio. "Naturen är, som alltid, den slutgiltiga domaren i sådana saker. Och här vore jag oförskämd om jag inte påpekade att alla tidigare förutsägelser om neutriner har varit felaktiga. Det enda med neutriner som aldrig förvånar fysiker är att de aldrig misslyckas med att överraska."
Min undran är om
neutriner har något med mörk materia att göra kanske det är detta som ska ses som mörk materia?
