Излучение Черенкова

Излучение Черенкова — это синеватое свечение, которое возникает, когда заряженная частица проходит сквозь прозрачную среду быстрее, чем в ней распространяется свет. Это принцип регистрации в Super-Kamiokande, IceCube, KM3NeT и Sudbury Neutrino Observatory.

Быстрее света — но не быстрее c

Фраза звучит как противоречие, но противоречием не является. Непреодолима лишь скорость света в вакууме. В воде свет движется лишь примерно с тремя четвертями от неё, потому что его постоянно поглощают и вновь испускают молекулы.

Электрон же этим не тормозится. Он вполне может быть быстрее света в воде — не нарушая теории относительности.

Образ носовой волны

То, что при этом происходит, знакомо по воде и по воздуху.

Корабль, идущий медленнее собственных волн, толкает перед собой круговую волну. Если он идёт быстрее, волны отстают и накладываются в клиновидную носовую волну. У сверхзвукового самолёта то же явление называется конусом Маха.

У заряженной частицы в воде это электромагнитное соответствие: световой конус, который следует за частицей.

Угол раствора этого конуса зависит только от скорости. По нему, стало быть, можно прочесть, насколько быстрой была частица, — а в воде есть резкий порог: ниже примерно трёх четвертей скорости света в вакууме конус не возникает вовсе.

Почему свечение синее

Излучение распределяется по цветам неравномерно. Его интенсивность растёт к коротковолновому концу — чем синее, тем больше.

Поэтому свечение в бассейнах реакторов кажется тёмно-синим. Кто видел хоть одну фотографию исследовательского реактора, знает этот цвет: он исходит от электронов из распада продуктов деления, которые проходят сквозь охлаждающую воду быстрее, чем свет в ней.

Что детектор из этого считывает

На стенке водяного бака конус вычерчивает кольцо. По нему можно прочесть три вещи:

Направление. Положение кольца показывает, откуда пришла частица, — а тем самым и с какого направления пришло нейтрино. Именно это позволило Масатоси Косибе впервые доказать, что измеренные нейтрино действительно приходят от Солнца.

Энергию. Чем ярче кольцо, тем энергичнее частица.

Сорт частицы. Здесь лежит решающий момент. Электрон отклоняется в воде и порождает небольшой ливень; его кольцо размыто. Мюон идёт почти прямо; его кольцо резко очерчено.

На этом различении основано открытие Такааки Кадзиты 1998 года. Он смог показать, что мюонных нейтрино не хватает, а электронных хватает, только потому, что детектор мог их различать.

Предел метода

Недостаток — выход света. Водяной детектор даёт на мегаэлектронвольт лишь несколько сотен фотонов; сцинтиллятор даёт около десяти тысяч.

Отсюда следует более высокий порог регистрации. Нейтрино низких энергий — например, из главной реакции Солнца — остаются для водяного детектора невидимыми. Для них нужны установки вроде Borexino.

Оба метода, таким образом, дополняют друг друга: вода даёт направление и большие объёмы, сцинтиллятор даёт чувствительность.

Открытие

Павел Черенков наблюдал это свечение в 1934 году в Москве. Илья Франк и Игорь Тамм объяснили его теоретически в 1937 году. Все трое совместно получили в 1958 году Нобелевскую премию по физике.

Связанные понятия

• Super-Kamiokande — самое известное применение
• Сцинтиллятор — другой принцип регистрации
• Такааки Кадзита — то, что сделала возможным форма кольца
• IceCube — тот же принцип во льду

Источники

• P. A. Cherenkov: Visible emission of clean liquids by action of γ radiation, Doklady Akademii Nauk SSSR 2, 451 (1934).
• Нобелевский фонд: Нобелевская премия по физике 1958 года.