Ακτινοβολία Cerenkov

Άρθρο, Μάρτιος 2002

Όταν αντικείμενα υψηλής ραδιενέργειας παρατηρούνται κάτω από το νερό, όπως στις "δεξαμενές" των αντιδραστήρων και στις περιοχές αποθήκευσης καυσίμων στους πυρηνικούς αντιδραστήρες μέσα στο νερό, φαίνονται να λούζονται με ένα έντονο γαλάζιο φως που αποκαλείται ακτινοβολία Τσερένκωφ. Η ακτινοβολία αυτή, που φέρει το όνομα του Σοβιετικού επιστήμονα που πρώτος την ανακάλυψε το 1934, είναι χρήσιμη για την μέτρηση των ταχυτήτων των φορτισμένων σωματιδίων.

Αυτό το γαλάζιο φως, προκαλείται από τα σωμάτια που εισέρχονται στο νερό με ταχύτητες v' μεγαλύτερες από την ταχύτητα του φωτός v στο νερό (v=c/n όπου n ο δείκτης διάθλασης του φωτός στο νερό). Καθώς τα σωμάτια, που έχουν στην αρχή ταχύτητες συγκρινόμενες με του φωτός, επιβραδύνονται στην ταχύτητα που έχει το φωτός στο μέσον (νερό), παράγουν έναν κώνο του φωτός, κατά προσέγγιση ανάλογο με το ακουστικό κύμα κρούσεως που εκπέμπεται από ένα βλήμα που τρέχει με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του ήχου στον αέρα. Η ακτινοβολία αυτή εκπέμπεται στην περιοχή του κυανού και κοντά στο υπεριώδες. 

Όταν το φορτισμένο σωμάτιο κινείται μέσα στο νερό, αλληλεπιδρά με ηλεκτρόνια που βρίσκονται κατά μήκος της τροχιάς του, και εκπέμπονται μέτωπα ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Αλλά όταν η ταχύτητα του σωματίου είναι μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός v στο νερό, τότε τα μέτωπα των κυμάτων δεν συσχετίζονται μεταξύ τους και είναι ανεξάρτητα το ένα με το άλλο. Έτσι δεν έχουμε το φαινόμενο Cerenkov.

Όμως όταν η ταχύτητα του σωματίου είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός v στο νερό (v'>v), τότε τα μέτωπα των κυμάτων συμβάλλουν μεταξύ τους, και σχηματίζουν ένα μέτωπο κύματος (μέτωπο φωτεινού κύματος), έτσι ώστε η εκπομπή να περιορίζεται σε έναν κώνο γωνίας θ, όπου θ/2 ισούται με το πηλίκο c/nv. Έξω δε από τον κώνο, η ακτινοβολία χάνεται απότομα.

Μια από τις πολύτιμες εφαρμογές της ακτινοβολίας Cerenkov είναι η ανίχνευση των νετρίνο και η διάκριση μεταξύ των διαφορετικών τύπων των νετρίνων. Ένα ενεργητικό μιόνιο παραμένει άθικτο ενώ επιβραδύνεται και ο κώνος Cerenkov του, σχηματίζει ένα σαφώς καθορισμένο κυκλικό δαχτυλίδι στους φωτοανιχνευτές των σωματίων. Ένα υψηλής ενέργειας ηλεκτρόνιο αφ' ετέρου θα παραγάγει ένα μη σαφές δαχτυλίδι στους ανιχνευτές, επειδή θα παραγάγει ένα ντους ηλεκτρονίων, που όμως το κάθ' ένα έχει και τον κώνο Cerenkov του.

Εφαρμογές Cerenkov

Η ακτινοβολία Cerenkov μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ανιχνεύσει τα συμβάντα ορισμένων πυρηνικών αλληλεπιδράσεων. Τέτοιες αλληλεπιδράσεις μπορούν να αποδεσμεύσουν μεγάλα ποσά ενέργειας και να εκτινάξουν τα σωμάτια με ιδιαίτερα σχετικιστικές ταχύτητες. Εάν αυτές οι αλληλεπιδράσεις πραγματοποιούνται στο νερό ή μια άλλη καθαρή ουσία, τότε η ακτινοβολία Cerenkov που εκπέμπεται καθώς τα προϊόντα της αντίδρασης ταξιδεύουν μέσα στο νερό, μπορεί να ανιχνευθεί από τους σωλήνες των φωτοπολλαπλασιαστών. Αυτό το είδος της ανίχνευσης πρόκειται χρησιμοποιείται ήδη στο παρατηρητήριο Sudbury Neutrino για να ανιχνεύσει τις αλληλεπιδράσεις των νετρίνων.

Η ικανότητα στην ανίχνευση του νετρίνο στο Super-Kamiokande στην Ιαπωνία, οφείλεται στους 11.000 φωτοπολλαπλασιαστικούς σωλήνες που είναι τοποθετημένοι για να ανιχνεύσουν ακριβώς την ακτινοβολία Cerenkov και είναι σε θέση επίσης να ανιχνεύσουν και να διακρίνουν τα νετρίνο του ηλεκτρονίου και από του μιονίου.

Μάλιστα οι μετρήσεις των ταχυτήτων των σωματιδίων, μπορούν να γίνουν με τη μέτρηση της γωνίας του κώνου Cerenkov, όπως με τη φωτογράφιση των ιχνών ενός σκάφους, μπορούμε να μετρήσουμε την ταχύτητά του. Ένα μέρος του φωτός που εκπέμπεται από το επιβραδυνμένο σωμάτιο είναι συνεπές (coherent) και εκπέμπεται σε μια χαρακτηριστική γωνία.

Επειδή, όπως βλέπουμε πιό πάνω, το συνημίτονο της γωνίας θ, συνδέεται με την ταχύτητα και το δείκτη διάθλασης, για το νερό που έχει δ.δ 1.33, η γωνία θ υπολογίζεται ότι είναι 41.2^ο .

Επίσης μπορούμε να υπολογίσουμε την Κινητική Ενέργεια του ηλεκτρονίου. Με την βοήθεια της αριστερής σχέσης,  υπολογίζουμε την σχετικιστική ολική   ενέργεια του ηλεκτρονίου Εe=0.775 MeV, και γνωρίζοντας ότι η ενέργεια ηρεμίας του ηλεκτρονίου είναι 0.511 Mev, βγάζουμε την Κινητική Ενέργεια 0.26 MeV.

Το συνολικό ποσό ενέργειας που εμφανίζεται στην ακτινοβολία Cerenkov είναι μικρό έναντι της συνολικής ενεργειακής απώλειας λόγω ιονισμού, καθώς το σωμάτιο εισέρχεται στο μέσο (νερό). Σύμφωνα με υπολογισμούς, ένα σχετιστικό σωμάτιο κοντά στην ταχύτητα του φωτός θα χάσει ενέργεια σε ρυθμό περίπου 200 MeV/m, και από εκείνη την απώλεια μόνο περίπου το 40 keV/m θα είναι στην ακτινοβολία Cerenkov, δηλαδή περίπου το 1/5000 του συνόλου.

Αν και το παράδειγμα που δίνεται εδώ είναι για τα ηλεκτρόνια στο νερό, είναι εφαρμόσιμο στη χρήση της ακτινοβολίας Cerenkov και για την ανίχνευση  του νετρίνο, επειδή η ακτινοβολία Cerenkov εμφανίζεται για οποιοδήποτε φορτισμένο σωματίδιο που μπαίνει σ' ένα υλικό μέσο με μια ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός σε εκείνο το μέσο.

Η ακτινοβολία Cerenkov είναι ανεξάρτητη επίσης από τη μάζα του σωματίου, εξαρτομένη μόνο από το φορτίο και την ταχύτητά της. Η ακτινοβολία Cerenkov εκπέμπεται σε όλες τις συχνότητες στο ορατό φάσμα, εάν αυτό συμβαίνει σε ένα οπτικά διαφανές μέσο, αλλά η ενέργεια ανά μήκος κύματος είναι ανάλογη προς τον αντίστροφο κύβο του μήκους κύματος. Έτσι τα βραχέα μήκη κύματος είναι πιό προτιμητέα, και το χρώμα που φαίνεται περιγράφεται ως ένα "γαλαζωπό λευκό".

Οι αρχικοί ανιχνευτές Cerenkov χρησιμοποίησαν το γυαλί, και τη μίκα ως μέσα ανιχνευτών. Όλα είχαν δείκτες διάθλασης γύρω από n=1.5, έτσι η περιοριστική γωνία Cerenkov ήταν περίπου 48°. Έτσι μπορούμε να ανιχνεύσουμε φορτισμένα σωματίδια με ταχύτητα v>2.10¹⁰ cm/sec.

Αν και η ακτινοβολία Cerenkov μπορεί να παραχθεί σε όλες τις γωνίες τις μικρότερες από την περιοριστική γωνία,  καθώς το σωμάτιο επιβραδύνεται,, στην πράξη η εκπομπή φαίνεται σαν ένας στενός κώνος με πλάτος μόνο μερικών βαθμών.

Τα σωμάτια επιβραδύνονται πολύ γρήγορα, κι έτσι η ακτινοβολία προέρχεται από ένα πολύ σύντομο τμήμα στο μέσο και σ' ένα πολύ σύντομο χρονικό διάστημα (< 10^-10 sec). Από το 1951, ο Mather ανέφερε τη χρήση της ακτινοβολίας Cerenkov για να καθορίσει την ενέργεια πρωτονίων 340 MeV με μια αβεβαιότητα +/- μόνο 0,8 MeV.

Οι αναλυτικές επεξεργασίες της ακτινοβολίας Cerenkov πραγματοποιήθηκαν από τους Frank και Fermi .

Ο κόσμος των νετρίνων

Νετρίνα που προέρχονται από το Διάστημα βομβαρδίζουν καθημερινώς τη Γη και διαπερνούν το σώμα μας κατά δισεκατομμύρια, χωρίς να μπορούμε να τα αντιληφθούμε. Και αυτό γιατί τα ενεργητικά αυτά σωματίδια είναι αόρατα, με σχεδόν καθόλου μάζα και χωρίς φορτίο, ενώ ο εντοπισμός τους στηρίζεται αποκλειστικά -μέχρι σήμερα- σε έμμεσο τρόπο.

Έως στις ημέρες μας, νετρίνα ανθρώπινης προέλευσης είχαν παραχθεί και ανιχνευτεί μόνο στο εσωτερικό ισχυρότατων πειραματικών διατάξεων ή επιταχυντών σωματιδίων. Επίσης, πολλές ερευνητικές ομάδες (αποκαλούμενες και «κυνηγοί» νετρίνων) εργάζονται εδώ και χρόνια για την ανίχνευση ενός νετρίνου φυσικής προέλευσης, κατασκευάζοντας όλο και περισσότερες «παγίδες» νετρίνων μέσα σε παλιά ορυχεία και υπόγειες σπηλιές γεμάτες με νερό.