Российские физики из ВНИИФТРИ, НИИЯФ МГУ и ИТЭФ изучили акустические эффекты при вхождении сгустка электронов в вещество. Интерес к ним связан с возможностью акустического детектирования космических нейтрино сверхвысоких энергий.
Нейтрино — самые трудноуловимые из известных элементарных частиц. Детекторы нейтрино (их часто называют нейтринными телескопами) представляют собой большие резервуары воды (или льда, как, например, IceCube в Антарктиде), внутри которых установлены многочисленные «электронные глаза» — фотоумножители. Эти детекторы расположены так глубоко под землей (под водой, под антарктическими льдами), что никакие другие частицы, кроме нейтрино, их не могут достичь.
|
Подавляющее большинство нейтрино просто проходят детектор насквозь, не оставляя следа, и лишь крайне редко они всё же «наталкиваются» на вещество, превращаясь в электроны. Если исходное нейтрино обладало большой энергией, то этот электрон порождает электромагнитный ливень — поток электронов и позитронов меньшей энергии. При движении сквозь воду они, за счет черенковского излучения, дают вспышку света, которую и регистрируют фотоумножители. После обработки данных со всех фотоумножителей можно восстановить полную яркость вспышки, отсюда полную энергию ливня, и значит, энергию первоначального нейтрино.
Такая методика «отлова» нейтрино уже давно отлажена и хорошо себя зарекомендовала, однако у нее есть один важный недостаток (как и у большинства экспериментов по регистрации элементарных частиц): в ней используется очень дорогостоящая аппаратура. Поэтому интересно было бы найти иной, более простой и более дешевый способ регистрировать нейтрино и оценивать их характеристики.
Некоторое время назад была высказана идея, что помочь в этом может... звучание пучков элементарных частиц при их движении сквозь вещество. Эта идея сразу же обрела многочисленных сторонников (см. библиографию по акустическому детектированию нейтрино, диссертацию по этой теме и страницы проектов SAUND и ACORNE, в которых будет реализована эта идея).
Действительно, появившийся вдруг в воде высокоэнергетический электрон и порожденный им электромагнитный ливень не только приводят к ионизации и излучению, но и наносят по воде резкий точечный «удар изнутри». Как было предсказано еще полвека назад советским физиком Гургеном Аскарьяном (Gurgen_Askaryan), этот удар вызывает краткий звук в килогерцевом диапазоне, а значит, его можно зарегистрировать обычными гидрофонами, что и было осуществлено пару десятилетий спустя (правда, в этих экспериментах использовались протонные пучки).
Для использования этого эффекта в нейтринных телескопах одного лишь знания, что «пролетело нейтрино», мало. Желательно, например, выяснить, как «звучание» электронов зависит от энергии нейтрино и направления его прилета. Иными словами, требуется провести систематическое изучение акустических эффектов при прохождении электронных сгустков сквозь воду.
Исследователи из НИИ ядерной физики им. Д. В. Скобельцына (НИИЯФ МГУ), Института теоретической и экспериментальной физики им. А. И. Алиханова (ИТЭФ) и ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ), что в подмосковном поселке Менделеево, взялись за эту задачу. Их первые результаты описаны в недавнем е-принте physics/0610241. Физики провели простой эксперимент: бомбардировали камеру с водой электронными сгустками и изучали распространение возникавших в камере звуковых волн. Электронные сгустки содержали примерно по 1011 частиц с энергией 50 МэВ на частицу и моделировали собой хорошо развитый электромагнитный ливень, который мог бы возникнуть от нейтрино сверхвысокой энергии, приходящих к нам из глубокого космоса.
Выяснилось, что электронный луч, попадая в воду, производит звук — а точнее, щелчок — в два этапа: сразу же в месте входа в среду и затем вдоль своей траектории. В результате звуковые колебания представляют собой наложение полусферической волны, идущей от стенки в месте входа пучка, и цилиндрической волны, расходящейся от канала, по которому он прошел. Пользуясь аналогией из электродинамики, можно сказать, что щелчок удалось разложить на две составляющих: переходное акустическое излучение при входе из воздуха в воду и собственное излучение электронного сгустка при его движении в воде. Авторы отмечают, что наложение этих звуковых волн приводит к интересным акустическим интерференционным эффектам, и планируют изучить их подробнее.
Следующим шагом после отработки методики должна стать проверка того, как «электронный щелчок» меняется при изменении энергии и количества электронов. Если однозначная зависимость между этими величинами будет доказана, то физики, работающие на нейтринных телескопах, получат в распоряжение новую, существенно более дешевую методику изучения нейтрино. Впрочем, следует помнить, что помочь она сможет лишь при регистрации нейтрино очень высокой энергии.
