Новости науки | ||||
28.03.01. Первое экспериментальное наблюдение эффекта Аскаряна | ||||
Электрон или фотон сверхвысокой энергии, попадая в среду,
вызывает в ней электромагнитный ливень: множественное рождение
дочерних электронов, позитронов и фотонов. Это явление уже давно
используется в экспериментальной физике высоких энергий.
Однако используется, по-видимому, не полностью.
Как показал еще в 1962 году армянский физик Гурген Аскарян,
электромагнитный ливень должен вызывать мощную вспышку
радиоволнового черенковского излучения.
Долгие годы этот эффект оставался лишь предсказанием, и только сейчас
усилиями нескольких исследовательских групп он был, наконец-то,
экспериментально подтвержден. И более того, он тут же нашел применение.
Наблюдение Аскаряна, опубликованное впервые в
[G.Askaryan, Sov.Phys. JETP (ЖЭТФ) 14, 441 (1962)],
заключается в следующем. Вспомним сценарий развития
электромагнитного ливня: фотон сверхвысокой энергии попадает
в среду, рождает столь же быстро летящую электрон-позитронную пару,
которая испускает один или несколько жестких фотонов и т.д.
В результате на некоторой глубине у нас уже есть огромное количество
электронов, позитронов и фотонов, между которыми и распределена
энергия первоначального фотона. Процесс развития ливня прекращается,
когда энергия, приходящаяся на одну частицу, становится меньше
порога рождения электрон-позитронной пары.
Однако, как заметил Аскарян, этот процесс должен протекать для
электронов и позитронов несколько по-разному.
Действительно, в отличие от электронов, позитроны постепенно
выбывают из потока за счет аннигиляции. Кроме того,
ливень, проходя через среду, может выбивать и захватывать с собой
электроны вещества. В результате мы получаем некую зарядовую
асимметрию: электронов в ливне несколько больше, чем позитронов.
К чему это приведет? Поскольку у нас имеются заряженные частицы,
движущиеся с околосветовой скоростью сквозь среду, то они
должны вызывать черенковское излучение, причем на всех частотах.
Но тут-то сказывается то, что мы имеем дело с большим числом
заряженных частиц, локализованных в небольшой области с размером
порядка нескольких сантиметров.
Все моды излучения с длиной волны, значительно
меньшей этого размера, будут эффективно гаситься из-за деструктивной
интерференции излучения, идущего от отдельных электронов.
Зато длинноволновое излучение отдельных зарядов
(длина волны > 10 см, что отвечает гигагерцовому диапазону радиоволн)
будет складываться в фазе, что приведет к мощному когерентному
радиоимпульсу.
Заметим, что если бы электроны и позитроны
не были пространственно разделены, то их интерференция
также приводила бы к подавлению сигнала.
Долгое время не удавалось четко и однозначно подтвердить
существование эффекта Аскаряна. Например, еще в 60-х
годах были наблюдены вспышки радиоизлучения, порождаемые
электромагнитными ливнями в воздухе, однако, как оказалось,
из-за большой длины ливня главной причиной, приводящей к разделению зарядов,
являлось взаимодействие с магнитным полем Земли.
Таким образом, обнаружить эффект Аскаряна (то есть,
проследить самопроизвольное разделение электронного
и позитронного облаков) не удавалось.
В работе [D.Saltzberg et al, Phys.Rev.Lett. 86, 2802 (2001)],
наконец, сообщается о первом недвусмысленном наблюдении искомого
эффекта. Эксперимент проводился в Стэнфордском Ускорительном Центре
(SLAC). Пучок электронов, содержащий до 1010 электронов
с энергией 28.5 ГэВ, падал на алюминевый радиатор и порождал
большое число высокоэнергетических фотонов. Общая эффективная
энергия ливня, порождаемая этим сгустком, составляла
1018 - 1019 эВ, что сравнимо с энергией
самых высокоэнергетических космических лучей.
Этот пучок попадал в объем, содержащий 3.2 тонны
обычного сухого песка (Рис.1), и вызывал в нем электромагнитный ливень
длиной около двух метров. Черенковское радиоизлучение
испускалось под углом 51° к оси пучка, выходило наружу
и детектировалось рупорной антенной. Геометрия объема
с песком выбиралась таким образом, чтобы избежать полного внутреннего
отражения сигнала при его выходе наружу.
Наблюдаемое излучение в самом деле оказалось черенковским.
В пользу этого говорило, во-первых, согласие
измеренного угла выхода излучения с расчетным в пределах
2°, а во-вторых, его специфическая поляризация.
Далее, было обнаружено, что интенсивность излучения вдоль оси
пучка повторяет профиль самого ливня, как это и должно быть
в эффекте Аскаряна. Наконец, было установлено, что
никакие иные факторы (в том числе и взаимодействие с магнитным
полем Земли) не могли привести к наблюдаемому распределению зарядов.
Таким образом, авторы сделали вывод, что перед нами -- чистое
проявление эффекта Аскаряна.
Готовым примером того, где эффект Аскаряна может найти применение,
является использование Луны в качестве нейтринного детектора
(см. Рис.2). Высокоэнергетические нейтрино, проходя через Луну,
могут вызвать аналогичный электромагнитный ливень.
Рожденный при этом импульс радиоизлучения имеет очень узкое
угловое распределение и потому может быть наблюден на Земле.
Регистрация таких всплесков может оказаться полезной калибровочной
процедурой для радиотелескопов сети Deep Space Network
| ||||
|