Cherenkov-Strahlung

Cherenkovs Strahlung kann als Physik des 19. Jahrhunderts bezeichnet werden, die versehentlich ihren Weg ins 20. Jahrhundert fand. Er hätte in den 1880er Jahren (und zu einem gewissen Grad vom Physiker Heaviside ) vorhergesagt werden können, aber dieser Effekt wurde zufällig entdeckt, möglicherweise von Maria und Pierre Curie. Es wurde in den 1930er Jahren von Pavel Cherenkov sorgfältig untersucht, und nach einigen Jahren wurde der Effekt von Ilya Mikhailovich Frank und Igor Evgenievich Tamm ausführlich erklärt. Drei dieser Physiker erhielten 1958 einen Nobelpreis für die Untersuchung dieses Phänomens.

Hinweis perev .: In englischen Quellen haben die Autoren es fast immer eilig, das Curie-Paar und die Tatsache zu erwähnen, dass sie bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts bei ihren Experimenten mit Strahlung ein blaues Leuchten beobachtet zu haben schienen. In der Regel geben sie jedoch nicht die Quelle dieser Informationen an. In seltenen Fällen schreiben sie, dass die Informationen auf der Grundlage des Lesens eines Kunstbuchs, einer Biographie des Curie-Paares, erhalten wurden, das von ihrer Tochter Eva geschrieben wurde.

Und in der Biographie selbst über das blaue Leuchten wird nur folgendes gesagt:

"Und inmitten des dunklen Schuppens leuchten Glasgefäße mit wertvollen Radiumpartikeln, die mangels Schränken einfach auf Tischen, an an die Wände genagelten Holzregalen ausgelegt sind, mit bläulichen phosphoreszierenden Silhouetten, als ob sie im Dunkeln hängen." // "Pierre und Marie Curie", trans. aus dem französischen S. A. Shukarev, Evgeny Fedorovich Korsh, hrsg. 1959

Was war das für eine Beobachtung? Cherenkov untersuchte das blaue Licht, das zu dem Zeitpunkt auftrat, als radioaktive Objekte (die Atome enthielten, deren Kern in andere Kerne zerfällt und hochenergetische Teilchen ausspuckte, darunter Elektronen und Positronen) neben Wasser und anderen transparenten Materialien platziert wurden. Jetzt wissen wir, dass jedes elektrisch geladene Teilchen, wie ein Elektron, das sich mit ausreichend hoher Energie durch Wasser, Luft oder ein anderes transparentes Medium bewegt, blaues Licht emittiert. Dieses Licht bewegt sich von einem Teilchen in einem bestimmten Winkel in die Richtung seiner Bewegung.

Was ist los? Wie Frank und Tamm verstanden haben, ist dies ein photonischer Schock, ähnlich einem Schallknall, der auftritt, wenn ein Überschallflugzeug schneller als die Schallgeschwindigkeit oder die Aufregung, die ein durch Wasser fahrendes Schiff erzeugt, fliegt. Licht in einem transparenten Medium bewegt sich aufgrund der Wechselwirkung zwischen Licht und geladenen Teilchen (Elektronen und Atomkerne), aus denen dieses Medium besteht, mit einer Geschwindigkeit, die sich von der Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum unterscheidet. Zum Beispiel bewegt sich Licht in Wasser etwa 25% langsamer als im Vakuum! Daher ist es für ein hochenergetisches Elektron einfacher, sich schneller als in Wasser bewegendes Licht zu bewegen und gleichzeitig die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum nicht zu überschreiten. Wenn sich ein solches Teilchen durch Wasser bewegt, erzeugt es eine elektromagnetische Druckwelle, ähnlich einer Druckwelle, die von einem Überschallflugzeug in dichter Luft erzeugt wird. Diese Welle kommt von einem Teilchen, genau wie eine Schallwelle von einem Flugzeug, und trägt Energie in vielen Formen (Wellenlängen) elektromagnetischer Strahlung, einschließlich sichtbarem Licht. Am violetten Ende des Regenbogens wird mehr Energie erzeugt als am roten, sodass das Licht für unsere Augen und unser Gehirn größtenteils blau aussieht.

Eine solche Strahlung ist in der Teilchenphysik äußerst nützlich, da sie eine hervorragende Möglichkeit zum Nachweis energiereicher Teilchen bietet! Dank des von ihnen emittierten Lichts können wir nicht nur das Vorhandensein hochenergetischer geladener Teilchen erkennen, sondern auch viel mehr verstehen, indem wir die Details dieses Lichts untersuchen. Ein genaues Strahlungsmuster kann dabei helfen, (a) den Weg eines Teilchens in einem Medium zu bestimmen, (b) wie viel Energie es trägt und sogar (c) etwas über seine Masse (da Elektronen im Medium streuen und schwerere Teilchen anders verhalten). Einige sehr wichtige Experimente, einschließlich derer, die später den Nobelpreis erhielten, basieren auf dieser Strahlung. Darunter sind Experimente, die eine wichtige Rolle bei der Untersuchung von Neutrinos spielten, zum Beispiel Super-Kamiokande .

Cherenkov-Strahlung ist auch sehr nützlich, um die Richtigkeit der Beschreibung der Natur durch die Einstein-Relativitätstheorie zu überprüfen. Kosmische Strahlung - Teilchen, die aus dem Weltraum fliegen (oft mit etwas in der Atmosphäre kollidieren und Kaskaden von Teilchen erzeugen, die von Detektoren auf der Erde erfasst werden können), können in seltenen Fällen eine extrem hohe Energie haben - 100 Millionen Mal höher als die Energie von Protonen in Der Large Hadron Collider. Diese Teilchen (soweit wir wissen) wurden in einer Entfernung von vielen Lichtjahren von der Erde in so starken astronomischen Ereignissen wie Supernovae erzeugt. Angenommen, die Lichtgeschwindigkeit wäre keine universelle Geschwindigkeitsbegrenzung, und diese Partikel würden sich im Vakuum des Weltraums schneller als Licht fortbewegen. Dann würden diese hochenergetischen Teilchen auch Cherenkov-Strahlung verursachen. Und da ihre Reise so lang war, hätten sie durch diese Strahlung viel Energie verloren. Es stellt sich heraus, dass dieser Energieverlust sehr schnell auftreten kann und dass diese Partikel in diesem Fall keine astronomischen Entfernungen zurücklegen und so hohe Energieniveaus aufrechterhalten können, es sei denn, ihre Geschwindigkeit bleibt geringer als die Lichtgeschwindigkeit.

Kurz gesagt, wenn sich kosmische Strahlen mit superhohen Energien schneller als Licht bewegen könnten, könnten wir mit dieser Energie keine kosmischen Strahlen beobachten, da sie ihre gesamte Energie verlieren müssten, bevor sie die Erde erreichen. Aber wir beobachten sie.

Es gibt einen kleinen Haken: Wir sind fast sicher, dass die meisten von ihnen eine Ladung haben: Ihre Eigenschaften weisen darauf hin, dass sie an einer starken nuklearen Wechselwirkung beteiligt sind, und die einzigen stabilen Teilchen, die solche Entfernungen zurücklegen können, sind Protonen und im Allgemeinen Atomkerne und Sie haben alle eine elektrische Ladung. Selbst wenn Sie diesen Trick anwenden, können die Einschränkungen ein wenig gelockert werden, aber sie bleiben immer noch ziemlich stark.

Daraus können wir schließen: Kosmische Strahlen ultrahoher Energien (und im Allgemeinen auch alle kosmischen Strahlen niedriger Energien) können sich nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, zumindest nicht viel schneller. Und wenn dieser Fortschritt existiert, dann sagen seine Schätzungen, die Ende der neunziger Jahre von den berühmten Physikern Sidney Coleman und Sheldon Glashow gemacht wurden, dass dieser Wert zehn Teilen von einer Billion Billionen entsprechen kann. Seitdem wurden diese Einschränkungen wahrscheinlich dank experimenteller Daten verbessert.

In ähnlicher Weise beschränkt die Tatsache, dass wir hochenergetische Elektronen beobachten können, ihre Geschwindigkeit im Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit. Eine der letzten Aussagen, über die ich gelesen habe, besagt, dass aus Beobachtungen von Elektronen mit Energien bis zu 0,5 TeV folgt, dass Elektronen die Lichtgeschwindigkeit nicht um mehr als einen Teil von tausend Billionen überschreiten können.