Эффект Вавилова-Черенкова

Эффект Вавилова-Черенкова или черенковское излучение (сокр. ЧИ или черенковское изл.) называется оптическое излучение атмосферы или жидкой среды, которое вызвано прохождением элементарных частиц космических лучей.

История открытия

В 1934 году 30-летний советский аспирант Павел Алексеевич Черенков выполнял в лаборатории Сергея Ивановича Вавилова серию практических экспериментов по изучению нетеплового излучения прозрачных жидкостей под действием гамма-излучения. Исследуемое излучение обладало слабым синеватым оттенком. Первоначально считалось, что подобное излучение является люминесценцией. Как известно люминесценция представляет собой излучение, вызванное переходом электронных оболочек атомов из одного энергетического состояния (орбиты) в другое энергетическое состояние (орбиту). Однако детальное изучение П. А. Черенковым излучения жидкостей с синеватым оттенком показало, что оно представляет собой потоки электронов, движущихся со скоростями, превышающими фазовую скорость света в воздухе. Фактически высокоэнергетические фотоны гамма-излучения выбивали электроны из электронных оболочек атомов молекул воздуха и отправляли их свободное плавание. Этот факт удалось выяснить на основе множества отличий от люминесценции:

1. Излучение наблюдалось у всех прозрачных жидкостей;
2. Излучение не изменялось при изменении химического состава прозрачных жидкостей;
3. У излучения наблюдалась поляризация, в направлении вектора распространения частиц;
4. У излучения не наблюдалось ни одного из видов тушения. Тушением называется свойство люминесценции уменьшать интенсивность излучения под действием изменений температуры или различных колебательных движений.

Первоначально обнаружение нового излучения было воспринято научным сообществом с большим скепсисом. Так проводилась аналогия с ошибочной интерпретацией так называемых N-лучей. В связи с этим редакторы наиболее авторитетного научного журнала Nature отказались опубликовать научную статью об открытом явлении.

Первую теоретическую интерпретацию обнаруженного излучения дал С. И. Вавилов. Он полагал, что излучение вызвано движением электронов в среде в отличие от обычного теплового излучения, которое вызвано движением атомов. При этом Вавилов опирался на классическую термодинамику, один из постулатов которой звучал о том, что любая заряженная частица, которая движется с ускорением, является источником излучения. Гипотезу С. И. Вавилова пришлось отбросить, так как она не объясняла слабой зависимости интенсивности черенковского излучения от порядкового номера химических элементов среды в Периодической таблице имени Менделеева. В 1937 году советские физики Игорь Евгеньевич Тамм и Илья Иванович Франк опубликовали ряд теоретических работ с подробным обоснованием механизма излучения, которое сегодня принято в научном мире за истину. В их работе черенковское излучение объяснялось равномерным и прямолинейным движением заряженных частиц со скоростями, которые превышают скорость света в среде. В связи с этим возникает парадокс, что скорость черенковского излучения может превышать скорость света в вакууме. Этот парадокс объясняется многочисленными преломлениями света в среде.

Открытие нового излучения стало важным открытием, которое получило высшую награду по физике в 1958 году. Нобелевскую премию разделили три советских физика, причастных к открытию: П. А. Черенков, И. Е. Тамм и И. И. Франк.

Интересно отметить, что многие физики регистрировали черенковское излучение задолго до первых наблюдений П. А. Черенкова. Это не является удивительным, так как черенковское излучение было обнаружено через 40 лет после открытия явления радиоактивности и процессов радиоактивного распада химических элементов. Вероятно, первой наблюдала черенковское излучение Мария Кюри. В своих исследованиях она отметила слабое свечение синего цвета, которое наблюдалось в концентрированных растворах с радием. Другой исследователь, французский физик Малле, в 1926 году даже отметил некоторые отличия свечения жидкостей рядом с радиоактивными веществами от явления люминесценции. Однако на его работы современники не обратили должного внимания. В этом плане заслуга П. А. Черенкова состояла в его упорстве и терпеливости в направлении подтверждения и подробного изучения открытого явления.

Механизм, геометрия черенковского излучения и интересные следствия

Геометрически черенковское излучение во многом напоминает конус ударной волны, которая распространяется при сверхзвуковом движении самолета или пули. Подобный конус называется конусом Маха.

Кроме того, можно отметить интересную особенность: при образовании черенковского излучения наблюдается уменьшение скорости и кинетической энергии частиц.

Черенковское излучение является причиной, по которой на многокилометровой глубине океанского дна не бывает абсолютной темноты. Появление потоков электронов в толще океанской воды связано с распадом радиоактивных химических элементов, в частности калия-40. Предполагается, что большие глаза глубоководных организмов вызваны необходимостью улавливания подобного тусклого излучения.

Применение

Черенковское излучения оказалось крайне полезным для использования в исследовательских детекторах. Так как подобное излучение не зависит от химического состава среды (жидкостей или атмосферы), то его регистрация позволяет определять энергию, скорость и направление элементарных частиц космических лучей. В результате этого детекторы черенковского излучения активно используются для мониторинга состояния охлаждающих контуров ядерных реакторов.

Позже явление черенковского излучения стало активно использоваться и в астрономии. Дело в том, что оно позволяет активно изучать гамма-излучение от различных астрономических объектов. Это важно в связи с тем, что земная атмосфера полностью блокирует не только гамма-излучение, но и электромагнитное излучение более мягких диапазонов: рентгеновского и ультрафиолетового. В результате этого регистрация черенковского излучения является единственным вариантом развития наземной гамма-астрономии без выноса детекторов в космос. Кроме того, наземные детекторы могут регистрировать наиболее коротковолновое гамма-излучение, для прямой регистрации которого космические гамма-обсерватории бессильны. Последний момент связан с относительной редкостью фотонов наиболее высокоэнергетического диапазона гамма-излучения, в связи с этим существует небольшая вероятность их детектирования с помощью космических гамма-обсерваторий небольших габаритов. В тоже время диаметр конуса черенковского излучения атмосферных ливней от отдельных элементарных частиц космических лучей на поверхности Земли достигает многие километры или даже сотни километров в случае частиц сверхвысоких энергией.

Первые наземные гамма-установки были созданы в 60х годах 20 века. К настоящему времени полезная светособирающая площадь подобных установок приближается к нескольким квадратным километрам. Наиболее крупными такими установками в ближайшем будущем будет “Черенковский массив телескопов” (CTA), который разместят в Чили и на Канарских островах, а также установка TAIGA в Забайкалье. К настоящему времени с помощью наземных гамма-установок удалось зарегистрировать более 200 источников. Большинство из них связанны с остатками сверхновых (нейтронные звезды) и ядрами активных галактик (квазары и блазары).

Рост чувствительности наземных гамма-телескопов (от детектора MAGIC до CTA). Первый детектор был построен после 2004 года, сооружение второго детектора начнется после 2019 года. Для сравнения показан диапазон чувствительности космической гамма-обсерватории FERMI.

По причине большей редкости фотонов гамма-излучения сверхвысоких энергий число каталогизированных гамма-источников с помощью черенковских детекторов на порядок ниже по сравнению с космическими обсерваториями. Так, к настоящему времени, крупнейшая космическая гамма-обсерватория зарегистрировала около 4 тысяч гамма-источников.

Другим практическим применением возможности регистрации черенковского излучения стало создание детекторов солнечных и астрофизических нейтрино. Как известно, нейтрино является одной из самых трудноуловимых элементарных частиц в природе. Хотя эта частица обладает ненулевой массой, точно “взвесить” её так до сих пор и не удалось. Для регистрации космических нейтрино астрономам и физикам приходится сооружать гигантские детекторы, с полезным объемом, достигающим один кубический километр и более. Первые детекторы нейтрино регистрировали черенковское излучение в огромных резервуарах с различными жидкостями, преимущественно жидкой водой. В тоже время впервые солнечные нейтрино удалось зарегистрировать в резервуаре с перхлорэтиленом C2Cl4. При этом использовался подсчет атомов инертного химического элемента аргон, который образовывался в реакциях нейтрино с хлором. Позже для увеличения статистики регистрации нейтрино началось размещение детекторов в крупных озерах (Байкал – проект GVD) или морях (проекты ANTARES и KM3NeT рядом со средиземноморским побережьем Франции). Другим перспективным направлением стало размещение детекторов черенковского излучения в многокилометровой толще льда Антарктиды (проекты AMANDA и IceCube).

Наблюдаемый поток солнечных нейтрино оказался значительно меньше теоретических предсказаний. Долгое время дефицит солнечных нейтрино оставался одной из самых больших загадок ядерной физики, пока в 1998 году на крупнейшем из черенковских водных детекторов — SuperKamiokande (Япония) с рабочим объемом очищенной воды в 22,5 тысяч кубических метров не было обнаружено явление осциляции нейтрино (превращение одних видов нейтрино в другие). Это явление позволило объяснить недостаток регистрируемых нейтрино от Солнца. За открытие нейтринных осцилляций в 2015 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

Кроме регистрации солнечных нейтрино в последние десятилетия удалось зарегистрировать нейтрино от ядерных реакторов, ядра Земли, сверхновых и блазаров (активных ядер галактик, у которых джеты выбросов направлены к земному наблюдателю). Первым случаем регистрации астрофизических нейтрино стало обнаружение в 1987 году нейтринного всплеска от сверхновой 1987 года, которая вспыхнула в соседней галактике Большое Магелланово облако. В 2018 году появились сообщения о первой регистрации нейтрино от вспышки блазара TXS 0506+056, удаленного от нас на 4 миллиарда лет. Блазар TXS 0506+056 стал первым астрономическим объектом, у которого удалось зарегистрировать нейтрино сверхвысоких энергий.

В будущем ожидается регистрация реликтовых (космологических) нейтрино, которая позволит изучить эволюцию Вселенной в первые секунды после Большого взрыва.

Природные потоки нейтрино на уровне Земли и способы их измерения. v — нейтрино, v с верхним подчеркиванием — антинейтрино, АЯГ — активные ядра галактик, ГЗК — область предельных энергий космических лучей согласно эффекту Грейзена-Зацепина-Кузьмина. Из статьи “Черенковские детекторы в нейтринной астрофизике высоких энергий” Ж. -А. М. Джилкибаев.

В будущем ожидается дальнейшее увеличение полезного объема нейтринных детекторов – до 10 кубических километров для антарктического детектора IceCube и средиземноморского детектора KM3Net. Так утверждается, что модернизация IceCube пройдет без серьезных финансовых вложений: прозрачность льда в районе детектора оказалась выше ожидаемой. В связи с этим детекторы черенковского излучения можно расставить с шагом в 300 метров против нынешних 125 метров. Увеличение полезного объема нейтринных детекторов позволит регистрировать более редкие нейтрино со сверхвысокими энергиями (в несколько ПэВ – 10 в 12 эВ).

Необходимость строить всё более крупные черенковские детекторы для регистрации частиц сверхвысоких энергий связана с их большой редкостью. Подобная редкость частично объясняется т.н. пределом Грайзена — Зацепина — Кузьмина, который постулирует взаимодействие протонов космических лучей с энергиями выше 5х1019 эВ с фотонами. Считается, что подобный предел должен приводить к дефициту элементарных частиц сверхвысоких энергии от источников, которые находятся дальше 50 миллионов парсек. Для нейтрино предел Грайзена-Зацепина-Кузьмина менее актуален по причине их нейтрального заряда и очень небольшой массы.

Видео запуска ядерного реактора. Во время запуска реактора появляется излучение синеватого цвета – это и есть черенковское излучение.