Nieuw onderzoek toont aan dat een neutrinolaser onmogelijk is

Auteur: Jennifer Chu | MIT News Publicatiedatum: 2 september 2026

Bijschrift: Nieuw onderzoek toont aan dat een neutrinolaser, waarvan natuurkundigen eerder hadden voorgesteld dat het een levensvatbare technologie zou kunnen zijn, in feite onmogelijk is.

Neutrino's zijn alomtegenwoordige maar ongrijpbare deeltjes die het universum doordringen en elke seconde met biljoenen tegelijk door hele planeten, sterren en ons lichaam stromen. Deze elementaire deeltjes worden vaak omschreven als "spookachtig" vanwege hun bijna nul-massa en hun ongrijpbare aard, aangezien ze nauwelijks interactie hebben met normale materie.

Sinds hun ontdekking in 1956 blijven neutrino's natuurkundigen verrassen met hun onverwachte eigenschappen en gedragingen. Zo komen de deeltjes voor in verschillende "smaken" en kunnen ze van de een in de ander veranderen als subatomaire gedaanteverwisselaars. Neutrino's kunnen bovendien hun eigen antideeltje zijn, in een quantumdualiteit die doet denken aan Jekyll en Hyde. Hun extreem zwakke interacties maken het bovendien bijna onmogelijk om ze te detecteren.

Vorig jaar leken wetenschappers aan de mystiek van het deeltje toe te voegen met een concept voor een neutrinolaser. Ze stelden voor dat een geconcentreerde bundel neutrino's geproduceerd zou kunnen worden door een wolk van radioactieve atomen te koelen tot nanokelvin-temperaturen, een miljardste van de temperatuur van de interstellaire ruimte. Wanneer ze worden vertraagd tot een bijna bevroren tempo, zouden de atomen een Bose-Einsteincondensaat vormen en als één quantumcoherent geheel moeten fungeren, op een manier die hun radioactieve verval versnelt en versterkt. De natuurkundigen namen aan dat neutrino's, als natuurlijk bijproduct van radioactief verval, ook zouden worden versterkt, en dat een dergelijk proces een laserachtige bundel van de spookachtige deeltjes zou uitzenden.

Maar werk van natuurkundigen van MIT heeft nu aangetoond dat het concept van de neutrinolaser, en een soortgelijk voorstel voor gammastralen, onmogelijk is. In twee begeleidende artikelen die vandaag verschijnen in Physical Review Letters, presenteert Wolfgang Ketterle, de John D. MacArthur Professor of Physics aan MIT, samen met postdocs Hanzhen Lin en Yu-Kun Lu, een tweeledige analyse die aantoont dat beide concepten fysiek en fundamenteel niet mogelijk zijn. Specifiek hebben zij aangetoond dat het concept van de neutrinolaser gebrekkig is vanwege "terugslag" (de kinetische energie die door de reactie wordt gecreëerd) en vanwege de fundamentele "fermionische" natuur van het neutrino.

"Deze twee artikelen zijn als slag één en slag twee," zegt Ketterle. "Elk artikel op zich zou het voorstel al hebben verworpen."

MIT-hoogleraar natuurkunde Joe Formaggio, die het voorstel voor de neutrinolaser indiende samen met Ben Jones (destijds associate professor natuurkunde aan de University of Texas at Arlington), beschouwt de nieuwe resultaten als een overtuigende en constructieve uitdaging.

"Wanneer een nieuw idee — zoals het onze — wordt gedeeld, is het de plicht van de gemeenschap om het kritisch te onderzoeken. Dat is het wetenschappelijke proces," zegt Formaggio. "Inderdaad was het geweldig om te zien hoe ons artikel veel denkprocessen buiten ons oorspronkelijke concept heeft gegenereerd. We vermoeden dat dit zal voortduren."

Een quantumversterker

Het voorstel voor een neutrinolaser was gebaseerd op het idee van "superradiantie" — een quantumversterkend effect dat tot nu toe alleen was waargenomen voor fotonen.

Een vorm van superradiantie treedt op wanneer een wolk atomen wordt gekoeld tot vlak boven het absolute nulpunt, waarna de beweging van een atoom niet langer wordt bepaald door thermische effecten, maar puur door quantumonzekerheid. In deze staat van bijna volledige stilstand, bekend als een "Bose-Einsteincondensaat" (BEC), bewegen de atomen in synchronisatie als een quantum-gecorreleerd geheel.

Als fotonen in de vorm van een laserbundel in het condensaat worden gepompt, synchroniseren de atomen om de fotonen in exact dezelfde richting terug te verstrooien. In contrast hiermee zou een wolk atomen op kamertemperatuur de fotonen simpelweg in willekeurige richtingen verstrooien, wat hooguit een zachte gloed oplevert. Terwijl fotonen op atomen botsen, zouden de atomen op hun beurt "terugslaan", alsof ze fysiek door de impact naar achteren worden geduwd. In een BEC, omdat de atomen synchroon terugslaan, groeit de snelheid waarmee ze fotonen in dezelfde richting verstrooien exponentieel. Dit versterkende effect resulteert in een "superradiante" laser van fotonen, wat wetenschappers hebben waargenomen.

In hun voorstel suggereerden Formaggio en Jones, die nu aan de University of Manchester werkt, dat hetzelfde superradiante effect mogelijk zou zijn voor radioactieve atomen, die van nature neutrino's uitzenden tijdens hun verval. Als een wolk radioactieve atomen zou worden gekoeld om een Bose-Einsteincondensaat te vormen, zou een soortgelijk versterkend effect moeten optreden en een geconcentreerde bundel neutrino's genereren terwijl de atomen synchroon vervallen. Om hun punt te illustreren, schetsen ze een scenario waarin een wolk radioactieve rubidiumatomen, eenmaal gekoeld tot een BEC, het radioactieve verval zou versnellen van een halfwaardetijd van 86 dagen naar één minuut.

Er is nog nooit een BEC geproduceerd uit radioactieve atomen. Maar als dat zou kunnen, zou de quantumtoestand in theorie een neutrinolaser kunnen produceren.

Directe terugslag

Voor Ketterle leek het idee te mooi om waar te zijn. Ketterle is de leidende expert op het gebied van Bose-Einsteincondensaten, die hij in 1995 mede ontdekte en waarvoor hij in 2001 de Nobelprijs voor Natuurkunde ontving. Hij en zijn groep aan MIT hebben veel verrassende eigenschappen onthuld in Bose-Einsteincondensaten en andere ultrakoude materie, waarbij de energie van atomen op hun laagste punt is.

"Mijn ervaring is altijd geweest dat het condensaat wonderbaarlijke dingen kan doen bij lage energie — superfluïditeit, vortices — en als je in een kamer vol condensaat zou spreken, zou het een uur duren voordat je mijn stem hoort. Dat is hoe traag het condensaat is," zegt Ketterle. "En ik was altijd tot de conclusie gekomen dat het condensaat niets zou doen bij alles wat gewelddadig is, zoals kernreacties."

Vergeleken met zichtbare fotonen, die een energie hebben van 1 elektronvolt, worden neutrino's van nature uitgezonden wanneer atomen vervallen met een miljoen keer meer energie. Wanneer een neutrino uit een atoom schiet, zou de emissie ervoor moeten zorgen dat het atoom op zijn beurt een miljoen keer sterker terugslaat dan bij zichtbare fotonen.

"Zolang het terugslaande atoom in het condensaat blijft, kan het het condensaat superradiant maken," zegt Ketterle. "Maar wanneer een neutrino wordt uitgezonden bij een miljoen elektronvolt, slaat het atoom terug met snelheden die equivalent zijn aan Mach 10, sneller dan een gevechtsvliegtuig. Dit is zo snel dat het atoom bijna onmiddellijk zou verdwijnen."

Toch ging het voorstel voor de neutrinolaser ervan uit dat het ontsnapte atoom een soort quantumafdruk in het condensaat zou achterlaten, die het condensaat als geheel zou vertellen om toekomstige neutrino's in exact dezelfde, laserachtige richting uit te zenden.

Maar in het eerste van de twee nieuwe artikelen tonen Ketterle en zijn team via een theoretische analyse aan dat dit niet het geval is. Ze gebruikten een model dat superradiantie beschrijft en bepaalt aan welke voorwaarden moet worden voldaan voor de superradiantie van fotonen. Ketterle paste dit model toe op het geval van radioactieve atomen en neutrino's, rekening houdend met het bereik van energieën waarbij de deeltjes worden uitgezonden, evenals de resulterende terugslag van het vervallende atoom en de dynamiek van het condensaat.

Deze berekeningen toonden aan dat in elk scenario dat het team overwoog, superradiantie niet mogelijk was. Het atoom sloeg simpelweg te snel terug om een quantumafdruk op te bouwen. Het is alsof het condensaat direct het "geheugen" verliest van het uitgezonden neutrino, en daarom neutrino's zou blijven uitzenden zoals atomen dat normaal gesproken doen, zonder versterking.

Een anti-geheugen

In hun tweede artikel toonden de MIT-onderzoekers aan dat het concept van een neutrinolaser, naast het onmogelijk zijn door een fysiek terugslageffect, ook gebrekkig is vanwege de fundamentele aard van neutrino's.

Ze ontdekten dat zelfs als een terugslaand atoom een quantumafdruk in het condensaat zou achterlaten, die afdruk niet zou zijn van wat er vervolgens uitgezonden moet worden, maar juist van wat niet uitgezonden moet worden. Met andere woorden: het geheugen van het uitgezonden neutrino zou het condensaat vertellen om het volgende neutrino in elke andere richting uit te zenden, wat de opbouw van een directionele neutrinobundel zou voorkomen. De onderzoekers toonden aan dat dit tegenovergestelde geheugen, of "anti-correlatie", komt door het feit dat een neutrino fundamenteel een fermion is.

Fermionen en bosonen zijn de twee fundamentele klassen deeltjes waaruit alle materie in het universum is opgebouwd. Bosonen zijn deeltjes met gehele-getal-spins, zoals fotonen. Fermionen, zoals elektronen en neutrino's, hebben daarentegen halve-getal-spins. Of een deeltje een geheel of half integer spin heeft, bepaalt hoe het op quantum-niveau interacteert met andere deeltjes.

"Bij superradiantie gaat het om een geheugeneffect, of quantumcorrelaties in het condensaat. En in die context werd gedacht dat het niet uitmaakte of wat er uit het condensaat werd uitgezonden een boson of een fermion was," legt Ketterle uit. "Maar we hebben het geanalyseerd, en als je het correct beschrijft voor uitgezonden fermionen, krijg je een anti-geheugen, waardoor het condensaat niet in een superradiante vorm versnelt. Het heeft juist het geheugen om het niet te doen."

Ketterle, Formaggio en Jones zijn meermaals samengekomen om het oorspronkelijke voorstel voor de neutrinolaser en de uitdaging van Ketterle te bespreken.

"Ik vermoed dat iemand op een dag het experiment zal uitvoeren," zegt Formaggio. "De natuur is, zoals altijd, de uiteindelijke scheidsrechter in zulke zaken. En hier zou ik nalatig zijn als ik niet zou opmerken dat elke eerdere voorspelling over neutrino's onjuist is gebleken. Het enige aan neutrino's dat natuurkundigen nooit verrast, is dat ze nooit nalaten te verrassen."

Ketterle is het daar gedeeltelijk mee eens: "Creatieve ideeën en discussies tussen wetenschappers zijn nodig om de verrassingen van de natuur te ontdekken," zegt hij. "Maar in het geval van neutrinolasers was de verrassing te mooi om waar te zijn."

***

Ondersteuning en publicaties

Dit onderzoek wordt mede ondersteund door de National Science Foundation, het Center for Ultracold Atoms, de Vannevar-Bush Faculty Fellowship, de Gordon and Betty Moore Foundation en het U.S. Army Research Office.

Publicaties:

• "Fundamental impossibility of a superradiant neutrino laser"
• "To Lase or Not to Lase: The Question of Neutrino Superradiance"

Externe vermelding: New Scientist schrijft over het onderzoek: "De sleutel tot het voorstel voor de neutrinolaser was een geheugeneffect: wanneer een atoom in het BEC een neutrino uitzond, zou het waarschijnlijker zijn dat er meer neutrino's in dezelfde richting werden uitgezonden. [Prof. Wolfgang] Ketterle en zijn collega's toonden aan dat dit geheugen, hoewel aanwezig, ongeveer 10.000 miljard keer te kort zou zijn om de neutrino's te beïnvloeden zoals bedoeld."