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.

Рис.1 Схема эксперимента по обнаружению черенковского радиоизлучения электромагнитного ливня

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.

Рис.2 Использование Луны в качестве нейтринного детектора

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.

перейти к началу страницы