A qualquer momento, trilhões de partículas chamadas neutrinos fluem através de nossos corpos e de toda a matéria ao nosso redor, sem causar nenhum efeito perceptível. Menores que elétrons e mais leves que fótons, essas entidades fantasmagóricas são as partículas com massa mais abundantes no universo.

A massa exata de um neutrino é uma grande incógnita. A partícula é tão pequena e interage tão raramente com a matéria que é incrivelmente difícil de medir. Cientistas tentam fazer isso utilizando reatores nucleares e aceleradores de partículas massivos para gerar átomos instáveis, que então decaem em vários subprodutos, incluindo neutrinos. Dessa forma, os físicos podem fabricar feixes de neutrinos para investigar propriedades, incluindo a massa da partícula.

Agora, físicos do MIT propõem uma maneira muito mais compacta e eficiente de gerar neutrinos, o que poderia ser realizado em um experimento de mesa.

Em um artigo publicado na Physical Review Letters , os físicos apresentam o conceito de um "laser de neutrinos" — uma explosão de neutrinos que poderia ser produzida pelo resfriamento a laser de um gás de átomos radioativos a temperaturas mais baixas do que as do espaço interestelar. Em temperaturas tão frias, a equipe prevê que os átomos se comportariam como uma entidade quântica e decairiam radioativamente em sincronia.

O decaimento de átomos radioativos libera neutrinos naturalmente, e os físicos afirmam que, em um estado quântico coerente, esse decaimento deve acelerar, juntamente com a produção de neutrinos. Esse efeito quântico deve produzir um feixe amplificado de neutrinos, de forma bastante semelhante à forma como os fótons são amplificados para produzir luz laser convencional.

“Em nosso conceito para um laser de neutrinos, os neutrinos seriam emitidos a uma taxa muito mais rápida do que normalmente seriam, como um laser que emite fótons muito rápido”, diz o coautor do estudo Ben Jones, PhD '15, professor associado de física na Universidade do Texas em Arlington.

Como exemplo, a equipe calculou que tal laser de neutrinos poderia ser realizado aprisionando 1 milhão de átomos de rubídio-83. Normalmente, os átomos radioativos têm uma meia-vida de cerca de 82 dias, o que significa que metade dos átomos decai, liberando um número equivalente de neutrinos, a cada 82 dias. Os físicos demonstram que, ao resfriar o rubídio-83 a um estado quântico coerente, os átomos devem sofrer decaimento radioativo em poucos minutos.

“Esta é uma nova maneira de acelerar o decaimento radioativo e a produção de neutrinos, o que, até onde sei, nunca foi feito”, diz o coautor Joseph Formaggio, professor de física no MIT.

A equipe espera construir uma pequena demonstração de mesa para testar sua ideia. Se funcionar, eles imaginam que um laser de neutrinos poderia ser usado como uma nova forma de comunicação, por meio da qual as partículas poderiam ser enviadas diretamente através da Terra para estações subterrâneas e habitats. O laser de neutrinos também poderia ser uma fonte eficiente de radioisótopos, que, juntamente com os neutrinos, são subprodutos do decaimento radioativo. Esses radioisótopos poderiam ser usados ??para aprimorar imagens médicas e diagnósticos de câncer.

Para cada átomo no universo, há cerca de um bilhão de neutrinos. Uma grande fração dessas partículas invisíveis pode ter se formado nos primeiros momentos após o Big Bang e persiste no que os físicos chamam de "fundo cósmico de neutrinos". Neutrinos também são produzidos sempre que núcleos atômicos se fundem ou se separam, como nas reações de fusão no núcleo do Sol e no decaimento normal de materiais radioativos.

Há vários anos, Formaggio e Jones consideraram separadamente uma nova possibilidade: e se um processo natural de produção de neutrinos pudesse ser potencializado pela coerência quântica? Explorações iniciais revelaram obstáculos fundamentais para a concretização desse objetivo. Anos mais tarde, ao discutir as propriedades do trítio ultrafrio (um isótopo instável do hidrogênio que sofre decaimento radioativo), eles se perguntaram: a produção de neutrinos poderia ser potencializada se átomos radioativos como o trítio pudessem ser resfriados a ponto de serem levados a um estado quântico conhecido como condensado de Bose-Einstein?

Um condensado de Bose-Einstein, ou BEC, é um estado da matéria que se forma quando um gás de certas partículas é resfriado até próximo do zero absoluto. Nesse ponto, as partículas são reduzidas ao seu nível de energia mais baixo e param de se mover individualmente. Nesse congelamento profundo, as partículas podem começar a "sentir" os efeitos quânticos umas das outras e podem atuar como uma entidade coerente — uma fase única que pode resultar em física exótica.

BECs foram obtidos em diversas espécies atômicas. (Um dos primeiros casos foi com átomos de sódio, por Wolfgang Ketterle, do MIT, que dividiu o Prêmio Nobel de Física de 2001 pelo resultado.) No entanto, ninguém conseguiu produzir um BEC a partir de átomos radioativos. Fazer isso seria excepcionalmente desafiador, já que a maioria dos radioisótopos tem meias-vidas curtas e decairia completamente antes de ser resfriada o suficiente para formar um BEC.

No entanto, Formaggio questionou-se: se átomos radioativos pudessem ser transformados em um BEC, isso aumentaria de alguma forma a produção de neutrinos? Ao tentar resolver os cálculos da mecânica quântica, ele descobriu inicialmente que tal efeito não era provável.

“Acabou sendo uma falácia — não podemos acelerar o processo de decaimento radioativo e a produção de neutrinos apenas fazendo um condensado de Bose-Einstein”, diz Formaggio.

Vários anos depois, Jones revisitou a ideia, com um ingrediente adicional: a superradiância — um fenômeno da óptica quântica que ocorre quando um conjunto de átomos emissores de luz é estimulado a se comportar em sincronia. Nessa fase coerente, prevê-se que os átomos emitam uma rajada de fótons "superradiante", ou seja, mais radiante do que quando os átomos estão normalmente fora de sincronia.

Jones propôs a Formaggio que talvez um efeito superradiante semelhante fosse possível em um condensado de Bose-Einstein radioativo, o que poderia então resultar em uma explosão semelhante de neutrinos. Os físicos se dedicaram a elaborar as equações da mecânica quântica que regem como os átomos emissores de luz se transformam de um estado inicial coerente para um estado superradiante. Eles usaram as mesmas equações para descobrir o que os átomos radioativos em um estado BEC coerente fariam.

“O resultado é: você obtém muito mais fótons, mais rapidamente, e quando aplica as mesmas regras a algo que produz neutrinos, isso produzirá muito mais neutrinos, mais rapidamente”, explica Formaggio. “Foi quando as peças se encaixaram, que a superradiância em um condensado radioativo pôde permitir essa emissão acelerada de neutrinos, semelhante à de um laser.”

Para testar seu conceito em teoria, a equipe calculou como os neutrinos seriam produzidos a partir de uma nuvem de 1 milhão de átomos de rubídio-83 super-resfriados. Eles descobriram que, no estado BEC coerente, os átomos decaíam radioativamente a uma taxa acelerada, liberando um feixe de neutrinos semelhante a um laser em minutos.

Agora que os físicos demonstraram teoricamente que um laser de neutrinos é possível, eles planejam testar a ideia com uma pequena configuração de mesa.

“Deveria ser suficiente pegar esse material radioativo, vaporizá-lo, aprisioná-lo com lasers, resfriá-lo e então transformá-lo em um condensado de Bose-Einstein”, diz Jones. “Aí, ele deveria começar a gerar essa superradiância espontaneamente.”

A dupla reconhece que tal experimento exigirá uma série de precauções e manipulação cuidadosa.

"Se conseguirmos demonstrar isso em laboratório, as pessoas poderão pensar: podemos usar isso como um detector de neutrinos? Ou como uma nova forma de comunicação?", diz Formaggio. "É aí que a diversão começa de verdade."