Le rayonnement de Cherenkov peut être appelé la physique du 19e siècle, qui a accidentellement fait son chemin dans le 20e siècle. Il aurait pu être prédit (et dans une certaine mesure par le physicien
Heaviside ) dans les années 1880, mais cet effet a été découvert par hasard, peut-être par Maria et Pierre Curie. Il a été soigneusement étudié par Pavel Cherenkov dans les années 1930, et après quelques années, l'effet a été expliqué en détail par
Ilya Mikhailovich Frank et
Igor Evgenievich Tamm . Trois de ces physiciens ont reçu un prix Nobel en 1958 pour l'étude de ce phénomène.
Remarque trad.: dans les sources anglaises, presque toujours en décrivant le rayonnement de Cherenkov, les auteurs se précipitent pour évoquer le couple Curie et le fait que, dès le début du XXe siècle, ils semblaient observer une sorte de lueur bleue dans leurs expériences avec le rayonnement. Cependant, ils n'indiquent généralement pas la source de ces informations; dans de rares cas, ils écrivent que les informations ont été obtenues sur la base de la lecture d'un livre d'art, une biographie du couple Curie, écrite par leur fille, Eva.
Et dans la biographie elle-même sur la lueur bleue, seulement cela est dit:
«Et parmi la remise sombre, des récipients en verre avec de précieuses particules de radium, disposés, en l'absence d'armoires, simplement sur des tables, sur des étagères en bois clouées aux murs, brillent de silhouettes phosphorescentes bleuâtres, comme suspendus dans l'obscurité.» // "Pierre et Marie Curie", trans. du français S. A. Shukarev, Evgeny Fedorovich Korsh, éd. 1959Quel genre d'observation était-ce? Cherenkov a étudié la lumière bleue qui est apparue au moment où des objets radioactifs (contenant des atomes, dont le noyau se désintègre en d'autres noyaux, crachant des particules de haute énergie, parmi lesquelles il y a des électrons et des positrons) ont été placés à côté de l'eau et d'autres matériaux transparents. Nous savons maintenant que toute particule chargée électriquement, comme un électron se déplaçant avec une énergie suffisamment élevée à travers l'eau, l'air ou un autre milieu transparent, émettra de la lumière bleue. Cette lumière se déplace d'une particule sous un certain angle vers la direction de son mouvement.
Que se passe-t-il? Comme Frank et Tamm l'ont compris, il s'agit d'un choc photonique, similaire à un boom sonique qui se produit lorsqu'un avion supersonique se déplace plus vite que la vitesse du son, ou l'excitation créée par un navire voyageant dans l'eau. La lumière dans un milieu transparent se déplacera à une vitesse différente de la vitesse de la lumière dans le vide en raison de l'interaction entre la lumière et les particules chargées (électrons et noyaux atomiques) qui composent ce milieu. Par exemple, dans l'eau, la lumière se déplace environ 25% plus lentement que dans le vide! Par conséquent, il est plus facile pour un électron à haute énergie de voyager plus rapidement que la lumière se déplaçant dans l'eau, et en même temps de ne pas dépasser la vitesse de la lumière dans le vide. Si une telle particule se déplace dans l'eau, elle crée une onde de choc électromagnétique, semblable à une onde de souffle créée par un avion supersonique dans l'air dense. Cette onde provient d'une particule, tout comme une onde sonore provient d'un avion, et transporte l'énergie sous de nombreuses formes (longueurs d'onde) de rayonnement électromagnétique, y compris la lumière visible. À l'extrémité violette de l'arc-en-ciel, plus d'énergie est générée qu'au rouge, donc la lumière pour nos yeux et notre cerveau est principalement bleue.
Un tel rayonnement est extrêmement utile en physique des particules, car il fournit un excellent moyen de détecter les particules de haute énergie! Non seulement nous pouvons voir la présence de particules chargées de haute énergie grâce à la lumière émise par elles, mais nous pouvons comprendre beaucoup plus en étudiant les détails de cette lumière. Un diagramme de rayonnement précis peut aider à déterminer (a) le chemin suivi par une particule dans un milieu, (b) la quantité d'énergie qu'elle transporte et même (c) quelque chose sur sa masse (car les électrons se dispersent dans le milieu et les particules plus lourdes se comporter différemment). Plusieurs expériences très importantes, y compris celles qui ont par la suite reçu le prix Nobel, sont basées sur ce rayonnement. Parmi eux, des expériences qui ont joué un rôle majeur dans l'étude des neutrinos, par exemple
Super-Kamiokande .
Le rayonnement de Cherenkov est également très utile pour vérifier l'exactitude de la description de la nature par la théorie de la relativité d'Einstein. Rayons cosmiques - les particules volant depuis l'espace lointain (entrant souvent en collision avec quelque chose dans l'atmosphère et générant des cascades de particules qui peuvent être détectées par les détecteurs sur la terre), dans de rares cas, peuvent avoir une énergie extrêmement élevée - 100 millions de fois plus élevée que l'énergie des protons dans Le grand collisionneur de hadrons. Ces particules (à notre connaissance) ont été créées à une distance de plusieurs années-lumière de la Terre dans des événements astronomiques aussi puissants que les supernovae. Supposons que la vitesse de la lumière ne soit pas une limite de vitesse universelle et que ces particules se déplacent plus rapidement que la lumière dans le vide de l'espace. Ensuite, ces particules de haute énergie provoqueraient également un rayonnement Cherenkov. Et comme leur voyage était si long, ils auraient perdu beaucoup d'énergie sur ce rayonnement. Il s'avère que cette perte d'énergie peut se produire très rapidement, et que dans ce cas, ces particules ne pourraient pas parcourir des distances astronomiques et maintenir des niveaux d'énergie aussi élevés, à moins que leur vitesse ne reste inférieure à la vitesse de la lumière.
En bref, si les rayons cosmiques d'énergies très élevées pouvaient se déplacer plus rapidement que la lumière, alors nous ne pourrions pas observer de rayons cosmiques avec une telle énergie, car ils devraient perdre toute leur énergie avant d'atteindre la Terre. Mais nous les observons.
Il y a un petit hic: nous sommes presque sûrs que la plupart d'entre eux ont une charge: leurs propriétés indiquent qu'ils participent à une forte interaction nucléaire, et les seules particules stables qui peuvent parcourir de telles distances sont les protons, et en général, les noyaux atomiques, et ils ont tous une charge électrique. Même si vous utilisez cette astuce, mais les restrictions peuvent être un peu assouplies, mais elles resteront tout de même assez fortes.
On peut en conclure que les rayons cosmiques d'énergies ultra hautes (et aussi généralement tous les rayons cosmiques de basses énergies) ne peuvent pas se déplacer plus vite que la vitesse de la lumière, du moins beaucoup plus vite. Et si cette avancée existe, alors ses estimations, faites à la fin des années 1990 par les célèbres physiciens
Sidney Coleman et
Sheldon Glashow , disent que cette valeur peut être égale à dix parties sur un billion de milliards. Depuis lors, ces limitations ont probablement été améliorées grâce à des données expérimentales.
De même, le fait que l'on puisse observer des électrons de haute énergie impose une restriction de leur vitesse par rapport à la vitesse de la lumière. L'une des dernières déclarations que j'ai lues dit que d'après les observations d'électrons avec des énergies jusqu'à 0,5 TeV, il s'ensuit que les électrons ne peuvent pas dépasser la vitesse de la lumière de plus d'une partie sur mille milliards.