к оглавлению

EXPERMENTAL CONFIRMATION OF THE EXISTENCE OF LIGHT BARIER PHENOMENON NEAR CHERENKOV THRESHOLD

A.Tyapkin, A.Vodopyanov, V.Zrelov - Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia.
J.Ruzicka, P.Chochula - Comenius Uneversity, Bratislava, Slovakia
A.Sandoval - Gesellschaft fur Schwerionenforschung (GSI), Darmstadt, Germany

Abstract. This report inform about first experimental result on the observation on the peculiar "light Barrier" near of the threshold of Cherenkov radiation. The exsperiment carried out by group of researchers from JINR, University of Bratislava and CERN using high energy lead-ion beam from SPS-Accelerator of CERN with the support of the NA49 group at CERN.

Экспериментальное подтвеждение существования
явления светового барьера вблизи черенковского порога

А.Тяпкин и др.

Аннотация. Сообщается о первом экспериментальном подтверждении существования своеобразного "светового барьера" на пороге излучения Вавилова-Черенкова. Эксперимент проведен группой исследователей из ОИЯИ, Братиславского университета и ЦЕРН'а на релятивистском пучке ионов свинца от SPS ускорителя ЦЕРН'а при поддержке коллектива установки NA49 ЦЕРН.

Introduction / Motivation

1. Уникальное физическое явление - эффект Вавилова-Черенкова - нашло, казалось бы, исчерпывающее объяснение в теоретической работе И. М. Франка и И. Е. Тамма [1]. Выявленные теорией такие характерные особенности этого излучения, как строгая направленность и определенный порог его возникновения, служили основными ориентирами для развернутых дальнейших экспериментальных исследований макроскопической природы образования этого излучения. Но в первом теоретическом рассмотрении этого явления была создана идеализированная картина возникновения такого излучения. В ней принималась постоянная скорость движения электрона в однородной бесконечной оптической среде. И это абстрактное допущение было сделано вовсе не случайно: оно позволяло авторам наиболее просто продемонстрировать частный характер утверждения, что равномерно движущийся электрон не может вызывать излучение. И в статье 1938 года авторы отметили главную особенность их теоретического исследования [1] следующими словами:

"... если принять во внимание, что электрон, движущийся в среде, излучает свет даже при равномерном движении, если его скорость превышает скорость света в этой среде."[2].

С началом исследований на коллимированных пучках электронов стали наблюдаться и первые отклонения от идеализированной теоретической картины явления, созданной в работе [1]. В связи с этим было обращено внимание на теоретические исследование И. Е. Тамма 1939 г. [3], в котором оригинальным методом автору удалось выделить черенковское излучение, испущенное релятивистским электроном на конечном отрезке его пути.

Решению этой задачи был посвящен последний параграф работы [3]. В нем автор рассмотрел покоящийся электрон, который в момент времени -t

мгновенно ускоряется до скорости v и затем в момент +t мгновенно тормозится до остановки. Сам автор не подчеркнул, что полученные в его работе соотношения для коротких отрезков пути приводят к излучению при скоростях частицы несколько ниже порогового значения v/c=1/n.

На этот факт было обращено внимание в работе Лаусона [4] и дополнительно был рассмотрен вопрос о дифракционном размытии конуса черенковского излучения, существенным при длине радиатора в несколько длин волн регистрируемого излучения.

Следует отметить, что в конце своей статьи [3] И. Е. Тамм на основе нового подхода приводит вывод формулы прежней работы [1] для полной энергии излучения на единице пути и отмечает, что

"новый вывод этой формулы имеет, однако, то преимущество, что он позволяет установить условие, при котором этот вывод справедлив ..." [3а), с.98].

Затем автор формулирует условия, при которых справедливы соотношения, полученные в их совместной с Франком работе 1937 года.

К этой же проблеме, рассмотренной И. Е. Таммом в заключительном параграфе работы [3], пришлось вновь вернуться в связи с обсуждением результатов экспериментальных исследований, проведенных в Дубне в конце 70 годов А. П. Кобзевым [5]. В последующих работах [6,7] были сделаны самостоятельные попытки объяснить обнаруженные А. Кобзевым отклонения от идеализированной теории черенковского излучения, но уже в следующей работе Кобзева и Франка [8] было установлено, что экспериментальные результаты, полученные в 1977 году, полностью согласуются с теорией Тамма [3]. Таким образом, работа [8] сняла проблему несоответствия полученных в конце 70 годов новых данных прежним теоретическим представлениям о процессе возникновения черенковского излучения. В этой

работе было разъяснено, что отклонения от предсказаний идеализированной схемы первоначальной теории особенно значительны в области порога. И показано что, “порог в излучении частицы с ограниченной траектории, строго говоря, отсутствует” [8. с.126].

Следует, однако, отметить, что, несмотря на большой успех работы Тамма в объяснении встреченных припороговых аномалий, в обосновании использованного автором метода мгновенных ускорений, приводящих к расходящимся интегралам, возникли определенные сомнения [9; 10].

Пороговые и допороговые излучения в тонких радиаторах были затем проанализированы в работе Зрелова и др. [11], в которой показано, что эти излучения могут быть объяснены переходным эффектом, впервые обоснованным Гинзбургом и Франком в 1946 г.[12] и подробно исследованным в диссертации Пафомова [13].

2. Особенно важную для мотивации настоящих исследований составляют замеченные ранее пороговые и допороговые излучения в газообразных радиаторах черенковских счетчиков. Одно из первых таких исследований было проведено лондонской группой физиков в 1963 году на электронном пучке микротрона с энергией 26,6 МэВ [14]. Обнаруженное пороговое и допороговое излучение авторы нашли согласующимся с теорией Тамма [3].

Следующее изучение допорогового излучения проводилось во ФНАЛ на пучках электронов, пионов, каонов и протонов с импульсом 140 ГэВ/с [15]. В этой работе использовались два черенковских счетчика длиною 1,5 и 1,9 м. Авторы регистрировали переходное излучение только при нулевом давлении газа.

Позднее интересные исследования допорогового излучения были начаты Ружичкой и Зреловым на пучке электронов с энергией 350 МэВ новосибирского ускорителя ВЭПП-3 ИЯФ СО РАН [15]. В этой работе приводилась фотография в виде маленькой точки почернения от излучения электронов при давлении газа, составляющем половину порогового значения, и делался вывод, что наблюдаемое излучение является оптическим переходным излучением. Более подробные исследования допорогового излучения пучка электронов с энергией 350 МэВ в воздухе, криптоне и гелии Ян Ружичка описал в параграфе 4 восьмой главы своей докторской диссертации [17].

Ознакомившись с этим трудом в качестве оппонента, автор пришел к выводу о том, что в современной теории черенковского излучения в области порогового значения скорости не учтено требуемое принципом Гюйгенса возникновение барьерного эффекта. В статье 1993 года [18] автором уже высказывалась следующую мысль: обязательная для порога концентрация поля излучения на вершине черенковского конуса означает направленность этого излучения строго по движению частицы, и поэтому оно осталось неучтенным в стандартном теоретическом подходе, основанном на интегрировании потока вектора Пойнтинга через боковую поверхность цилиндра, окружающего трек заряженной частицы. В той же статье [18] автор обосновал также отличие "светового барьера" от известного аэродинамического "звукового барьера". Оно состоит в том, что большая амплитуда черенковского поля, возникающая на пороге в месте нахождения заряженной релятивистской частицы, должна непременно вовлекать в индуцированное излучение возбужденные атомы газа, наполняющего счетчик. А это значит, что на пороге излучения черенковского света, направленного вперед, в его спектре должны появиться узкие спектральные линии, характерные для атомов газа.

С предложением конкретных экспериментов для обнаружения возникновения явления "светового барьера" на пороге черенковского излучения первоначально выступили трое из нашего авторского коллектива [19]. Этими же авторами было составлено письменное предложение о постановке решающего эксперимента на релятивистском пучке ионов свинца ЦЕРН, которое в марте 1998 года профессор А. Сандовал представил на заседании коллаборации эксперимента NA49. Это совещание одобрило наше предложение и приняло решение, предоставить нам несколько сеансов работы на пучке ионов свинца в начале октябрьского рана эксперимента NA49.

Руководством эксперимента NA49 было выделено место на пучке для размещения нашей аппаратуры перед адронным калориметром, поскольку за ним не было промежутка для нашей фермы и бетонных блоков, позволяющих поднять установку до уровня пучка. Это означало, что для наладки и измерений придется использовать пучок ионов только в течение нескольких смен до начала измерений на основной установке NA49, а затем необходимо было целиком убрать бетонную подставку и ферму с черенковским счетчиком.

По этой причине нами была поставлена минимальная задача: получить сведения об увеличении интенсивности черенковского света в газовом радиаторе при уменьшении давления газа, когда показатель преломления света приближается к пороговому значению и становится равным отношению скорости света в вакууме к скорости релятивистских ионов свинца. Это и должно было стать первым экспериментальным указанием о существовании так называемого "светового барьера", поскольку в газовых радиаторах пока наблюдалась только пороговая аномалия, состоящая в сохранении слабой интенсивности ниже порога, но не повышение ее в самом пороге черенковского излучения.

Конечно, было бы весьма желательно уже в первых измерениях, наряду с обнаружением повышения интенсивности излучения на пороге, получить также сведения о том, что природа этой особенности излучения на пороге заключается не только в локальном возникновении повышенной амплитуды черенковского излучения, но и в добавлении излучения возбужденных атомов газа радиатора, вовлеченных в индуцированное излучение.

Существующий в ЦЕРН'е уникальный пучок ионов свинца позволял нам надеяться получить эти важные сведения об особенностях порогового черенковского излучения уже в первом специально нацеленном на это эксперименте, и тем самым экспериментально обосновать необходимость дальнейших исследований этого явления на различных пучках частиц для всевозможных радиаторов черенковского излучения.

Methods and Apparatus
МЕТОДИКА И АППАРАТУРА

1. Для первого обследования ожидаемых особенностей черенковского излучения вблизи порога нами был выбран наиболее надежный классический метод фоторегистрации. Им можно было проследить постепенные изменения макроскопических характеристик излучения при приближении к порогу черенковского излучения, а затем в выбранной точке по давлению получить для

последующего спектрального анализа фотографию с дифракционной решеткой.

На рис.1 показана общая схема примененного в эксперименте газонаполненного черенковского детектора с фотоаппаратом для 36-мм пленки.

Рис.1. Черенковский детектор.

По оси металлической трубы детектора проходил пучок релятивистских ионов свинца (изотопа с атомным номером 208 с энергией 157,7 ГэВ на нуклон). Входное окно в алюминиевом фланце имело диаметр 20 мм и толщину стенки 0,4 мм. А пучок ионов в месте расположения черенковского детектора имел диаметр не более 3 мм. Черенковский свет, излученный в газовом радиаторе (длина которого вдоль оптической оси равна 405 мм), после отражения в наклонном зеркале попадал в объектив фотоаппарата. В опыте использовался объектив "Гелиос-40" (светосила 1:0,85, фокусное расстояние f= 85 мм), настроенный на бесконечность. что обеспечивало получение кольцевого изображения для соответствующего конуса черенковского излучения. Перед объективом имелась возможность устанавливать дифракционную решетку для проведения спектрометрических измерений. В опыте использовался фотоаппарат "Зенит-Е" и негативная черно-белая фотопленка "НК-2Ш" чувствительностью около 20 ед. ГОСТ'а или ISO 23/14.

Тележка с черенковским детектором жестко закреплялась на специальной ферме, установленной на бетонном блоке и обеспечивавшей требуемую высоту расположения детектора в пределах полутора сантиметров. На самой тележке имелись регулировочные винты для окончательной юстировки оси счетчика по пучку частиц. Качество выполнения этой кропотливой работы характеризовалось величиной смещения регистрируемого кольца от центра фотоснимка.

2. В опыте была предусмотрена возможность замены указанного фотоаппарата на другой такой же аппарат, в котором вместо фотопленки был

установлен миниатюрный фотоумножитель, на фотокатоде которого фокусировалось излучение. Получаемый от него сигнал поступал на электронную схему суммирования, вход которой блокировался после набора определенного числа частиц пучковым монитором. Контрольными измерениями при закрытой шторке фотоаппарата было установлено, что фотоумножитель не дает сигналов от рассеянных частиц пучка. Однако фотоумножитель наряду со вспышками черенковского света с малой вероятностью мог регистрировать и задержанное во времени свечение возбужденных атомов поверхности зеркала и газа. Незначительность вклада таких событий показали измерения счета импульсов при откаченном газе.

Данный прибор предназначался для измерения зависимости светового выхода от давления газа с целью поиска аномалий в интенсивности излучения в припороговой области давления газа.

3. На тележке за черенковским детектором с газовым радиатором была предусмотрена возможность закрепления специальной фотокамеры, разрабоанной ранее В. П. Зреловым. Она для параллельного проведения исследований черенковского излучения от уникального пучка релятивистских ионов свинца в анизотропной оптической среде, например, в двухосных кристаллах.

Results and Analysis
РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ

  1. Исследования с детектором, наполненным воздухом.

После тщательной юстировки черенковского детектора на пучке были получены фотографии черенковского излучения релятивистских ионов свинца в воздухе при атмосферном давлении около 730 мм Hg и температуре 20 C. На рис.2 приведен фотоснимок, полученный при увеличении в 4,9.

 

 

 

 

 

Рис.2 Фотоснимок, полученный при увеличении в 4,9.

Результаты фотометрического сканирования вдоль диаметра кольца негативного изображения представлены на рис.3а. Сканирование проводилось на микрофотометре GII "Carl Zeis" (JENA) с точностью измерения расстояний 0,01 мм. Найденная а полувысоте величина ширины кольца черенковского излучения, равная Dq=28', не объясняется угловым разбросом пучка ионов и учетом известной для воздуха величины дисперсии. На кривой фотометрирования (рис.3б) помимо основного максимума виден высокий "пьедестал" с достаточно резко обозначенными границами, который скорее всего образован боковыми приливами (см. пунктирные линии на рисунке) Это и дает основной вклад в полученную для воздуха общую ширину кольца черенковского излучения. Ширина же зарегистрированных узких колец черенковского излучения на гелии была экспериментально оценена, равной 8'. Поэтому появлению приливов (см. рис.3) необходимо найти физическое объяснение.

Рис.3. Результаты фотометрического сканирования вдоль диаметра кольца негативного изображения представлены а) и кривая фотометрирования б).

Прежде всего отметим, что резкие края этого пьедестала, которые видны и на фотоснимке (рис.2), не позволяют его объяснить рассеянием частиц пучка. Вполне естественно причину возникновения наблюдаемого пьедестала непосредственно связывать с большой величиной заряда ионов свинца. Поэтому необходимо обсудить возможность наблюдения двухфотонного механизма черенковского излучения.

Квантовую теорию такого процесса впервые рассмотрел Тидман [20]. Из полученного в этой работе соотношения (3.29) следует, что вероятность двухфотонного процесса излучения по отношению к однофотонному механизму для однозарядной частицы падает 137 раз, а для многозарядного иона тот же фактор составляет Z /137. Следовательно, для иона свинца увеличение отношения вероятностей этих процессов в пользу двухфотонного процесса излучения по данному общему фактору должно было бы стать почти в 50 раз. Но для таких Z разложение по параметру Ze/hc, которое было использовано Тидманом, конечно, уже неправомерно, и здесь приводится только, как указание на значительность ожидаемого эффекта от двухфотонного процесса излучения.

Кроме того, условия возникновения двухфотонного механизма излучения обсуждались в работе И. М. Франка [21] и приводятся также на с.100 его монографии [22]. Но при этом автор не учитывает необходимое условие регистрации данного процесса как макроскопического явления. На самом же деле речь должна идти об излучении определенным образом коррелированных пар фотонов. Один из фотонов излученной пары должен обязательно быть излучен так же, как и при однофотонном механизме, то есть в строго определенном направлении, соответствующем процессу макроскопического образования фронта излучения. Другой же фотон данной пары должен при этом удовлетворять лишь условиям его наблюдения: он должен быть излучен, во-первых, в области частот видимого света и, во-вторых, - в зоне углов, свободной от излучения по однофотонному механизму. То есть, он должен находиться вне обычного черенковского конуса. Тогда он зарегистрируется на пленке как сопровождающий макроскопическое событие даже в том случае, когда первый фотон поглотится в газе радиатора или в стекле фотообъектива. Таким образом, двухфотонный процесс, вызванный ионами свинца, может быть наблюдаем как раз в области углов за пределами конуса обычного черенковского излучения.

Было получено еще два снимка на воздухе при том же давлении и на них также четко виден такой же пьедистал.

Если возникновение этого пьедестала вызвано двухфотонным процессом излучения, то тогда аналогичное расширение кольца, но только более слабое по интенсивности можно надеяться обнаружить и на фотографиях, полученных при наполнении детектора гелием. На рис.4 представлен фотоснимок кольца черенковского излучения (с увеличением 14), полученный при давлении гелия 600 мм Hg и при пропускании через детектор 10 ионов свинца.

Соотвествующие результаты фотометрирования представлены на рис.5.

 

Рис.4 Фотоснимок кольца черенковского излучения (с увеличением 14), полученный при давлении гелия 600 мм Hg и при пропускании через детектор 10 ионов свинца.

 

 

Рис.5. Результаты фотометрирования при давлении гелия 600 мм Hg и при пропускании через детектор 10 ионов свинца.

Приведенные данные подтверждают выдвинутое предположение о наблюдении двухфотонного процесса черенковского излучения под действием пучка ионов свинца.

Важные сведения о припороговых особенностях излучения в воздухе были получены при измерении кривой зависимости светового выхода от давления газа. На рис.6 приведены результаты измерений, выполненных с помощью фотоаппарата с вмонтированным в него фотоумножителем. Эти результаты были получены сначала при дискретном уменьшении давления воздуха от начального до нулевого, а затем измерения были повторены в обратном порядке по тем же значениям давлений. Эти повторные измерения были предприняты в связи с тем, что в первом цикле измерений в области порога черенковского излучения было обнаружено повышение светового выхода. При этом повторно измеренные величины наносились на рис.6, только в том случае, если они заметно расходились с первыми измерениями. Таким образом, для воздушного радиатора получен важный результат о возрастании выхода света в области порога черенковского излучения.

Отметим также факт неудачных попыток получить фоторегистрацию переходного излучения при прохождении пучка ионов свинца через детектор при нулевом давления газа. Эти попытки повторялись дважды при увеличенной в 3.5 раза длительности экспозиции. На наш взгляд, в ослаблении интенсивности переходного излучения по сравнению с интенсивностью допорогового черенковского излучения проявляется различие природы их возникновения под действием большой величины заряда иона свинца. Так как за возникновение черенковского излучения ответственно первичное излучение, возникающее на сравнительно большом расстоянии от заряда в результате электрической поляризации атомов среды, и с увеличением заряда растет зона образования первичных фотонов черенковского излучения.

За возникновение переходного излучения "назад" ответственно основное поле заряда при внедрении его в среду с резко отличающимися диэлектрическими свойствами. Но в случае ионов свинца в этой зоне происходит нарушение первоначальных диэлектрических свойств данной среды, так как ядро сильно ионизирует и возбуждает атомы среды. Это излучение атомов и было зафиксировано фотоумножителем при откачанном воздухе (см. рис.6).

2. Исследования с детектором, наполненным гелием.

Для наполнения детектора использовался гелий, предназначенный для сверхпроводящей обмотки магнита установки NA49. Исследования с этим газом были начаты с измерений кривой светового выхода от давления газа с помощью фотоаппарата с вмонтированным в него фотоумножителем. После откачки форвакуумным насосом воздуха из объема детектора и подводящей трубки от баллона с гелием магистраль наполнялась гелием и затем вновь откачивалась и снова наполнялась гелием. Это обеспечивало получение стабильности характеристик измеряемой кривой светового выхода, поскольку при испытании третьего наполнения системы было показано их совпадение с характеристиками, полученными после второго наполнения системы. На рис. 7 показана полученная кривая светового выхода при разных давлениях гелия.

Рис. 7. Экспериментальная кривая светового выхода при разных давлениях гелия.

При давлении 500 mbar зарегистрировано примерно 30%-ое повышение светового выхода. Ниже приводится компьютерная распечатка зарегистрированных фотоумножителем данных при пропускании через детектор по 150 тысяч ионов свинца на каждую точку: при давлениях 400, 450, 500 и 550 mbar было зарегистрировано соответственно 221, 225, 282 и 217 отсчетов. Это локальное повышение счета фотоумножителя при давлении 500 mbar (375 mm Hg) было принято как указание на область давлений, где следовало фотографическим методом провести последующие исследования припороговых явлений.

Указанная область давлений лежит несколько ниже давления, рассчитанного для порога на чистом гелии. Это расхождение объясняется тем, что используемый гелий содержал небольшую примесь паром машинного масла от компрессора. Эта повышенная чувствительность порогового давления к мельчайшей примеси к гелию связана с тем, что на пороге показатель преломления должен лишь ничтожно превышать единицу. Так, разность n-1 = 1-b для использованного пучка ионов свинца равна 2,0 10, поэтому мельчайшие добавки к гелию вызывают заметное уменьшение давления газа, при котором достигается соответствующее порогу значение показателя преломления n = 1+2,0 10.

На рис. 8 приводятся фотоснимки большого увеличения колец черенковского излучения при различных давлениях гелия, полученные для каждого фотоснимка при прохождении через детектор по 10 ионов свинца.

Рис. 8. Фотоснимки большого увеличения колец черенковского излучения при различных давлениях гелия.

Давление гелия 400 mbar было минимальным, при котором удалось получить на фотопленке определенное изображение. Сделанные при меньших давлениях 275 и 200 mbar фотоснимки при той же длительности экспозиции не дали никаких следов локального почернения от макроскопического процесса, связанного с когерентным излучением. На приведенных на рис.8 фотоснимках видно, что с уменьшением давления гелия происходят достаточно регулярные уменьшения параметров регистрируемых колец, но при давлении 473 mbar наблюдается значительное (в 1,7) увеличение ширины кольца. Вычисления на основе спектрометрических измерений показали, что при этом давлении происходит увеличение суммарной интенсивности излучения в кольце более, чем на 30% (плотность почернения достигла насыщения) по сравнению с суммарной интенсивностью при несколько большем давлении гелия (500 mbar).

Это подтверждает припороговое возрастание интенсивности на гелии, в котором из-за малой дисперсии оно должно возникать в узкой области давлений газа, но само возрастание интенсивности должно составлять относительно большую величину по сравнению с возрастанием интенсивности припорогового излучения, обнаруженного на воздухе.

Соответствующие кривые фотометрического сканирования вдоль диаметра каждого кольца показаны на рис.9.

 

Рис.9. Кривые фотометрического сканирования вдоль диаметра каждого кольца.

Результаты обработки фотометрических измерений колец черенковского излучения, полученных на гелии при разных давлениях, представлены в нижеследующей таблице 1.

Table 1. Results of treatment for photometric-scanning

p

 

 

+(mm)

p

p

p

p

p

p

3

500

375

0.25

10.2

9.0

6.8

0.63

0.37

0.45

6

275

207

no light signal

0.00

0.12

В таблице величины R и q обозначают соответственно радиус в mm и угол в минутах, отвечающие максимальной интесивности излучения в кольце, а величиной d обозначена (в минутах) полная ширина на полувысоте интенсивности излучения в кольце; Iexp - относительные величины интенсивности излучения, рассчитанные по фотометрическим измерениям в поперечных сечениях колец, а I и I - те же величины, вычисленные согласно теоретическим работам [1] и [3]; величина qtheor соответствует теоретическому значению угла черенковского излучения в гелии с примесью, эквивалентной 3,4% воздуха. Скорость ядер свинца (при энергии 157,7 GeV на нуклон) равна b =0,99997953.

Приведенные на рис.9 фотометрические кривые показывают, что плавный ход нарастания и спада интенсивности во всех кольцах прерывается характерными нерегулярностями. Сложная структура колец черенковского излучения на гелии выявляется не только фотометрическими измерениями, но и на фотоснимках, полученных при уменьшенном времени экспозиции при печати.

На таких снимках видно, что все кольца, полученные при различных давлениях гелия, разделены на два кольца тонким промежутком. Помимо этого на снимке при давлении гелия 400 mbar видны два отдельных внешних узких кольца слабой интенсивности (рис.10).

Рис.10. Тонкая структура колец черенковского излучения.

(видны два внешних узких кольца слабой интенсивности).

А на снимке при давлении гелия 473 mbar в центре внутреннего кольца черенковского излучения имеется более слабое излучение под углами меньшими, чем 2' (см. рис.11).

Рис.11. Снимок при давлении гелия 473 mbar

При давлении гелия 473 mbar, близком к порогу черенковского излучения, было выполнено фотографирование излучения с дифракционной решеткой, расположенной непосредственно перед объективом фотоаппарата.

Снимок сделан при пропускании через черенковский детектор 5 10 ионов свинца. Использовалась дифракционная решетка 200 линий на 1 мм, предварительно прокалиброванная по спектральным линиям ртутной лампы.

Результаты фотометрического сканирования полученного дифракционного распределения излучения приведены на рис.12. На этом рисунке пунктирной линией показан ожидаемый спектр для чисто черенковского излучения, поправленного на спектральную чувствительность использованной в данном эксперименте фотопленки.

 

Рис.12. Результаты фотометрического сканирования дифракционного распределения излучения.

Значительное превышение полученного спектра излучения над пунктирной линией объясняется присутствием индуцированного излучения возбужденных атомов гелия, каждой спектральной линии излучения которого соответствует свое кольцевое изображение на пленке. Этим зарегистрированный спектр излучения отличается от калибровочных измерения линий излучения атомов ртути.

Вертикальные стрелки на рис.12 указывают места расположения центров колец, соответствующих известным спектральным линиям атомов гелия. Внизу рисунка вдоль вертикальных линий указаны величины пяти основных линий атомов гелия. Наиболее интенсивной из них является желтая линия 588 nm (по ней спектральным анализом в протуберанцах Солнца и был открыт сам гелий). В местах расположения основных линий атомов гелия как раз наблюдаются наиболее значительные отклонения зарегистрированного спектра от ожидаемого спектра черенковского излучения. На рис.12 пунктирной линией показана также стрелка, соответствующая основной спектральной линии излучения однократно ионизованными атомами гелия (541 nm).

Так что обнаруженное на пороге повышение интенсивности излучения связано с добавлением в когерентный процесс индуцированного излучения возбужденных атомов гелия. Конечно, для получения более полной картины этого впервые наблюдаемого явления следовало бы непосредственно убедиться в том, что индуцированное излучение отсутствует при давлении гелия несколько выше порогового значения, где нет локального повышения суммарной по кольцу интенсивности излучения. Для этой цели непосредственно перед тем, как проводить на пороге экспозицию с дифракционной решеткой, аналогичная экспозиция была проведена при давлении гелия 550 mbar и при той же длительности экспозиции, соответствующей пропусканию через черенковский детектор 5 10 ионов свинца. Однако на соответствующем кадре не были зафиксирована ни полоса от дифракционно отклоненного света, ни даже след от центрального кольца черенковского излучения, прошедшего через дифракционную решетку. По этой причине на рис.12 вместо экспериментально измеренного вне порога спектра черенковского излучения приведена кривая ожидаемого спектра фотонов, исходя из теоретического спектра l dl и учета экспериментально измеренной спектральной чувствительности пленки.

Прежде всего, следует отметить, что неудача этой попытки получить с дифракционной решеткой фотоснимок черенковского излучения вне порога нельзя объяснить какими-либо техническими упущениями. Единственный на пленке экспонированный кадр находился по реперной отметке, которая свидетельствовала также об открытой шторке аппарата. Отсюда следует, что неудавшаяся при давлении гелия 550 mbar попытка получить с дифракционной решеткой фотоснимок черенковского кольца объясняется, скорее всего, значительным уменьшение интенсивности черенковского излучения при данном давлении по сравнению с излучением в соседней точке при давлении 500 mbar.

3. Исследования с помощью специальной фотокамеры черенковского излучения релятивистских ионов свинца и анизотропных средах.

В этих параллельно проводимых исследованиях черенковского излучения в кристаллах было получено на широкой фотопленке (18*24 см ) три цветных снимка, относящихся к различным ориентациям двухосного кристалла - триглицинсульфата (a biaxial cristal of triglycine sulphate). Пучок ионов свинца после стеклянной пластины наклонного зеркала газового черенковского детектора проходил через слой черной бумаги входного окна (d=0,25 mm) и попадал в специальную черенковскую камеру, разработанную ранее В. Зреловым. Затем пучок ионов проходил через кристалл триглицинсульфата (ТГС) и через фокусирующую свет линзу, толщиной 12 mm (с показателем преломления для D линии натрия n =1,512 и с фокусным расстоянием f =22,7 mm).

После этого пучок попадал на фотопленку (рамером 18*24 см ), установленной на расстоянии 34,7 mm от плоскости оптического соединения кристалла с линзой. Полученные фотоснимки показали, что из-за неточности

юстировки пучок ионов относительно центра фотопленки имеет смещение около 5 mm.

Первый цветной снимок, полученный при прохождении пучка ионов вдоль бинормали этого кристалла, был нами направлен в журнал "CERN CUORIER". Редактор поместил этот снимок на обложке декабрьского номера журнала за 1998 год, сопроводив его многозначительным названием "Больше ясности о черенковском эффекте" ("More light on Cherekov effect"). На этом снимке эффектно изображены две пересекающиеся радужные эллиптические полосы черенковского излучения (the two crossing iridescent elliptical bands are the Cherenkov radiation). Но полученный на уникальном пучке релятивистских ионов свинца снимок вполне соответствовал результатам прежним исследованиям черенкоского излучения, проведенным в Дубне с помощью той же специальной фотокамеры на том же кристалле при меньших энергиях В.П. Зреловым на пучке протонов 660 МжВ, азатем Я.Ружечкой и В.П.Зреловым на пучке ядер углерода с энергий 4 ГэВ на нуклон.

Вторая цветная фотография получена на таком же двухосном кристалле, но с плоскостью среза, нормальной к биссектрисе большого угла между осями кристалла. При установке такого кристалла в фотокамере пучок частиц проходил вдоль биссектрисы этого угла кристалла ТГС. Третий снимок был сделан при прохождении пучка ядер свинца перпендикулярно плоскости оптических осей кристалла ТГС. На этих снимках также, как и на первом, четко зафиксированы узкие эллиптическик полосы черенковского света.

Распределения интесивности черенковского излучения вдоль эллиптических полос на всех трех снимках соответствовали теоретическим расчетам, проведенным ранее для двухосных кристаллов чешским ученым Музикаржем (см. в работе[23] с.205). Так что надежды получить новые сведения о черенковском излучении релятивистских ионов свинца в двухосном кристалле, казалось бы, не оправдались. Но именно в этих опытах обнаружилась загадочная неожиданность.

4. Обнаружение аномальных эффектов, которые в значительной части несут новизну, необъяснимую в рамках известных физческих явлений, и которые, безусловно, требуют дальнейших экспериментальных исследований.

Так, на втором снимке с кристаллом ТГС, помимо радужных эллиптических полос от черенковского излучения в кристалле, было зафиксировано пять ярких светлых пятен (размером 2-3 мм) явно физического происхождения. При внимательном просмотре выяснилось, что в начале по крайней мере двух пятен лежит световой конус от частицы, вошедшей под малым углом к плоскости фотопленки. Близость углов входа у конусов означает, что эти световые пятна вызваны частицами, возникшими от распада одной более тяжелой частицы, и что ее распад произошел за пределами кадра, но очень близко (на расстоянии 3-4 mm) от плоскости фотопленки.

Световые конуса, надо полагать, вызваны черенковским излучением релятивистских частиц в фотоэмульсии и в прозрачной основе фотопленки. На рис.14 показан черно-белый отпечаток этого снимка для демонстрации распределения светлых пятен по кадру и для их нумерации. Верхнее световое пятно (2) на этом снимке образовано по крайней мере тремя близкими частицами (см. увеличенный снимок на рис.15).

 

Рис.14 Черно-белый отпечаток цветного снимка для демонстрации распределения светлых пятен по кадру и для их нумерации.

 

 

Рис.15 Увеличенный черно-белый отпечаток снимка для демонстрации тонких особенностей пятен.

Возникшие отдельно световые конуса от двух или трех частиц быстро перекрываются ранее начавшимся световым конусом первой частицы. Этот, четко выделенный, начальный конус имеет угол при вершине, равным около 83°. Ему соответствует (при показателе преломления прозрачной основы 1,49) частица со скоростью b=0,89. Так что предположение о черенковской природе происхождения световых пятен вполне соответствует наблюдаемым кинематическим параметрам.

Непреодолимые трудности возникают лишь при попытке объяснения необычно яркого свечения наблюдаемых пятен.

Действительно, для фоторегистрации черенковского света от однозарядных частиц, прошедших через радиатор, толщиной 0.5 см, требуется

пропустить более 10 частиц; на пучке же релятивистских ядер свинца для этого потребуется не меньше 5*10 частиц, а для получения от одной частицы эффекта такой яркости, которая зарегистрирована в световых пятнах на втором цветном снимке требуется, чтобы ее потери на черенковское излучение в сотни тысяч раз превосходили потери в аналогичном процессе релятивистского ядра свинца!

Вот с таким парадоксом связана попытка объяснения необычных световых пятен, зарегистрированных на втором цветном снимке. Но фотографически зарегистрированные экспериментальные факты, казалось бы, свидетельствуют о существовании в природе сверханомальной частицы, способной возбуждать черенковское излучение в сотни тысяч раз более интенсивно по сравнению с возбуждением этого излучения релятивистским ионом свинца.

На основе проведенных фотометрических измерений световая энергия в отдельном пятне оценена равной около 0,01 эрг. В значительности этой величины можно наглядно убедиться, визуально сопоставляя на негативе полученного снимка плотность света в пятне с плотностью полосы черенковского излучения от десяти миллионов ядер свинца, прошедших через кристалл ТГС. Еще более удивительно аналогичное сопоставление плотности зарегистрированного рядом с пучком светового пятна (3) с плотностью фона засветки от ионизационных потерь ядер свинца в гало вокруг пучка.

Третий снимок на широкой цветной пленке, можно считать, подтверждает процесс образования релятивистскими ядрами свинца таких необычных частиц, способных столь интенсивно излучать свет. При внимательном просмотре негативного изображения на нем было обнаружено 15 отдельных групп из маленьких цветовых пятен, но все они вызваны частицами, проходящими почти перпендикулярно к плоскости пленки. В этом случае частицы проходят короткий путь в пленке и соответственно в десятки раз излучают меньше света по сравнению с предыдущим снимком. Они не объединяются в общее световое пятно, а проявляются на снимке в виде отдельных групп.

Большинство таких групп состоит из трех световых пятен, расположенных в вершинах почти равностороннего треугольника (рис.16 а). Правда, световые пятна слишком маленькие, и если бы они и привлекли к себе серьезное внимание, то им можно было бы найти и другие объяснения без привлечения сверханомальной способности к черенковскому излучению.

В итоге можно лишь заключить, что выяснение причины происхождения обнаруженной аномалии требуют новых экспериментальных исследований, в которых прежде всего следует выяснить, действительно ли принципиально необходимо присутствие в пучке кристалла ТГС для образования частиц с аномально высокой эффективностью генерации черенковского излучения. Подозрение о влиянии кристалла ТГС возникло не случайно, а в связи с тем, что на восьми других полученных без этого кристалла черно-белых снимках не было обнаружено никаких признаков аномального излучения.

Однако в газовом детекторе черенковского излучения также встретились эффекты, требующие необычного объяснения. Сверхвысокая интенсивность черенковского излучения обнаружилась в нашем исследовании на трех фотоснимках, полученных на черенковском детекторе при атмосферном давлении воздуха и при прохождении по 10 ионов свинца. Как уже отмечалось выше, на этих снимках четко зафиксировано яркое узкое кольцо от конуса черенковского излучения, которое расположено на фоне широкого кольца от двухфотонного излучения, возникающего в силу квантовой природы при высоком Z ядра. Но, помимо впервые наблюдаемого двухфотонного процесса черенковского излучения, на этих снимках имеются едва заметные кольца света от частиц, вылетающих под малыми углами к направлению пучка ядер свинца. Аномальным в этих едва заметных кольцах света прежде всего является непомерно высокая интенсивность излучения. В наиболее четко зафиксированных световых кругах содержится около 0,01 от световой энергии конуса черенковского излучения 10 ионов свинца, каждый из которых излучает в 6700 раз больше протона. Следовательно, гипотетическая частица, оставившая едва видимое световое кольцо, излучает черенковский свет в сотню тысяч раз больше, чем отдельное релятивистское ядро свинца.

Этим необычным свойством сверхинтенсивного излучения данная гипотетическая частица подобна частицам, обнаруженным при исследовании излучения на кристалле ТГС.

Однако этим гипотетическим частицам, обнаруженным при тщательном исследовании снимков с излучением на воздухе, свойственна и другая аномалия: диаметры соответствующих колец, несоосных первичному пучку ионов, соответствуют движению гипотетических частиц со скоростью, превышающей величину скорости света в вакууме.

Отметим, что на всех трех снимках, полученных при атмосферном давлении на воздухе, кольца черенковского излучения от частиц, вылетающих под малыми углами к пучку ионов свинца, имеют аномально большие диаметры, соответствующих вылету "частиц" со скоростями, превышающими скорость света в вакууме. Сверхсветовой частице на рис.15 соответствует скорость b = 1,0008. На трех снимках обнаружено семь таких колец и все они отвечают различным углам вылета гипотетических частиц. Именно это обстоятельство вызывает принципиальное затруднение при попытках найти какую-либо естественную причину имитации вылета сверхсветовых частиц.

Подобные конуса черенковского света могут возникать, как было показано Б. М. Болотовским и В. Л. Гинзбургом [24], от имитированного сверхсветового источника с помощью светового пятна от вращающего источника света. Но в данном эксперименте нет каких-либо вращающихся элементов и, следовательно, отсутствует сама основа для подобной имитации сверхсветового двиижения при наблюдении черенковского излучения.

Поскольку речь идет о столь необычном излучении, то целесообразно обсудить другие возможные причины возникновения наблюдаемых эффектов.

Так, прежде всего следует рассмотреть возможность оптического преобразования интенсивного кольца черенковского излучения от ионов свинца в отраженное кольцо увеличенного диаметра. Такое преобразование исходного конуса излучения было бы возможно при отражении от выпуклой поверхности, но совершенно необъяснимо получение на каждом снимке нескольких узких колец, которым соответствуют различные по направлениям конуса излучений.

Другой вариант предполагаемого объяснения наблюдаемых эффектов может исходить не из имеющегося кольца черенковского излучения, а из свечения возбужденных ядрами свинца атомов и молекул воздуха. Такое свечение атомов вдоль пучка, конечно, существует, но оно изотропно и немыслимо его преобразование в несколько узких колец, которым соответствуют конуса излучений под разными углами.

Таким образом, без дополнительных экспериментальных исследований не представляется возможным найти конкретную причину имитации обнаруженных эффектов свехсветового движения. Но дополнительные экспериментальные исследования также крайне необходимы и для утверждения в науке представления о существовании гипотетической свехсветовой частицы, названной Фейнбергом [25] тахионом (tachyon) (от греческого слова tacis - быстрый), а тем самым и для реализации фундаментальных теоретических идей метарелятивизма [26]. Так, подтверждением существования гипотетической сверхсветовой частицы должно быть возрастание числа зарегистрированных на одном кадре под различными углами соответствующих колец черенковского излучения при увеличении числа пропущенных через газовый детектор ионов свинца.

References

Frank I., Tamm Ig. Comptes rendus de l'Acad. Sci. URSS 1937, v.14,p.109;
1a). - Uspekhi Fiz. Nauk, 1967, v.93, s.388 (in Russian).
2. Tamm Ig.E.,Frank I.M., Cherenkov P.A. - Izvectiya AN SSSR, 1938, N0 1-2, s.29 (in Russia).
3. Tamm Ig.E. - Journ. of Phys. USSR, 1939, v.1, p.439;
3a) - Cobranie nauchnykh trudov, "Nauka", Mock., 1975, s.77-99 (in Russian).
4. Lawson J.D. Phil. Mag., 1954, v.45, p.748.
5. Kobzev A.P. - JINR preprint P14 - 10925, Dubna, 1977 (in Russian);
5a) Yad. Fiz., 1978, v.27, s.1256 (in Russian).
6. Kobzev A.P., Frank I.M. - Yad. Fiz., 1980, v.31, s.1253 (in Russian).
7. Kobzev A.P., Pafomov V.E., Frank I.M. - Yad. Fiz., 1979, v.29, s.122 (in Russian).
8. Kobzev A.P., Frank I.M. - Yad. Fiz., 1981, v.34, s.125 (in Russian).
9. Zrelov V.P., Ruzicka Ya., - JINR Preprint P2-88-21, Dubna, 1988. (in Russian);
9a) - Czechl. J. of Phys., 1989, v.B39, p.368
10. Afanasiev G.N., Kartavenko V.G., Stepanovsky Yu.P. - JINR Preprint E2-99-5, Dubna, 1999.
11. Zrelov V.P., Lupiltsev V.P., Ruzicka Ya. - Nucl. Instr. and Meth., 1982, v.A270, p.62.
12. Ginzburg V.L., Frank I.M. - ZhETF, 1946, v.16, s.15 (in Russian).
13. Pafomov V.E. - Ph. D. Thesis. FIAN, Moskwa, 1957 (in Russian).
13a) - Izvectiya AN SSSR, 1969, v.54, s.28 (in Russia).
14. Aitken D.K. et al. - Proc. Phys.Soc., 1963 v.82, p.710.
15. Bodek A. et al. - Z. Phys., 1983, v.C18, p.741.
16. Ruzicka Ya., Zrelov V.P. - JINR Preprint P1-92-233, Dubna 1992; (in Russian).
16a) - Czechosl. J. of Phys., 1993, v.43, p.551.
17. Ruzicka Ya. - "Theoretical and expermental investigations of Vavilov-Cherenkov effect". Ph. D. Thesis. JINR, Dubna, 1993 (in Russian).
18. Tyapkin A.A. - JINR Rapid Communications, 1993, No.3[60]-93, s.26 (in Russian).
19. Zrelov V.P., Ruzicka Ya., Tyapkin A.A. - JINR Rapid Communications, 1998, No.1[87]-98, s.26 (in Russian).
20. Tidman D.A. - Nuclear Physics, 1956, v.2, p.289 (see part "Double Emission" p.324).
21. Франк И.М. - ЯФ,1968, т.7, с.1100.
22. Франк И.М. - Излучение Вавилова-Черенкова, "Наука", М:, 1988.
23. Зрелов В.П. - Излучение Вавилова-Черенкова и его применение в физ. высоких энергий, Атомипздат, М:, Часть 1, 1968.
24. Болотовский Б.М., Гинзбург В.Л. - УФН, 1972, т.106, с.577.
25. Feinberg G. - Phys. Rev., 1967, v.159, p.1089.
26. Bilaniuk O.M.P., Deshpande V.K., Sudarshan E.C.G. - Amer. J.Phys., 1962, v.30, p.718;
27. Bilaniuk O.M.P., Sudarshan E.C.G. - Phys. Today, 1969, v.22, p.43.

к оглавлению

Знаете ли Вы, что "гравитационное линзирование" якобы наблюдаемое вблизи далеких галактик (но не в масштабе звезд, где оно должно быть по формулам ОТО!), на самом деле является термическим линзированием, связанным с изменениями плотности эфира от нагрева мириадами звезд. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Bourabai Research Institution home page

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution