Теперь представьте себе волну – электромагнитную или, если так вам будет проще, океанскую. Высшая её точка на иллюстрации – А, и эта точка движется со скоростью V. Собственно, V и есть фазовая скорость.
Так вот, фазовая скорость света в какой-либо среде зависит от показателя преломления этой среды, и равна она скорости света в вакууме, делённой на показатель преломления. Иначе говоря, фазовая скорость света в среде может быть существенно ниже скорости света в вакууме. И если в среду попадает заряженная частица (скажем, электрон или позитрон), движущаяся со скоростью, близкой к скорости света в вакууме, получается, что она движется быстрее света! Представьте себе самолёт, который летит на сверхзвуковой скорости и создаёт перед собой ударную волну, или катер, оставляющий на поверхности воды расходящиеся в стороны волны. Так же ведёт себя и заряженная частица: двигаясь через среду, она «расталкивает»
[9] свет и вызывает вынужденное излучение, которое распространяется в виде конуса, где вершина – сама частица (катер или самолёт), а ось – направление её движения. Это и есть эффект Вавилова – Черенкова, то самое знаменитое свечение в бассейнах, которое любят показывать во время экскурсий на АЭС: гамма-излучение отработанного ядерного топлива выбивает электроны из атомов молекул воды, а эти электроны, двигаясь в воде с околосветовой скоростью, порождают зелёно-голубое черенковское излучение.
Направление черенковского излучения (то есть угол при вершине конуса) зависит от скорости и, следовательно, энергии частицы. Это свойство позволило построить черенковский детектор – устройство, фиксирующее количество, скорость, энергию и другие показатели высокоэнергетических частиц, движущихся быстрее фазовой скорости света в среде. Такие детекторы стали важными исследовательскими приборами, позволяющими получить качественную и количественную информацию о различных частицах. В частности, все детекторы нейтрино используют черенковское излучение, возникающее при выбивании этими частицами электронов из атомов. Малая вероятность такого взаимодействия компенсируется гигантскими размерами детекторов (нейтринные телескопы занимают объём в несколько кубических километров льда или воды).
В 1958 году Черенков, Франк и Тамм удостоились Нобелевской премии по физике за открытие и исследование черенковского излучения. Но почему-то у меня в памяти осел другой факт. В то время как Павел Черенков учился, работал, защищал кандидатскую (1935) и докторскую (1940), его отца, крестьянина Алексея Черенкова, сперва раскулачили, а потом, в 1938-м, осудили и расстреляли по сфабрикованному делу за «контрреволюционную деятельность». Такие дела.
История вторая: электронное охлаждение ионов
Я уже немало рассказал об ускорителях электронных частиц в главе 13. Но, конечно, не всё – тема эта большая и сложная. Сам процесс ускорения не завязан на одном только ускорителе – для проведения опытов со сталкивающимися пучками нужны целые лаборатории со значительным количеством оборудования. Такие лаборатории – средоточие современных технологий, сложнейшие комплексы, в создание которых вложены знания и труд тысяч специалистов. Охлаждение ионов – лишь одна из многих проблем, которые требовалось решить, чтобы построить ускоритель.
Как несложно догадаться, для эффективного столкновения ионов в ускорителе нужно добиться максимальной плотности пучка частиц. Если они слишком разрежены, столкновений будет мало и произошедших реакций не хватит для фиксации результатов. Так что фокусировка пучков ионов была проблемой с самого начала.
В 1965 году советский физик Андрей Михайлович (на самом деле Герш Ицкович) Будкер предложил новый и, как показала практика, очень эффективный способ фокусировки пучка. На тот момент Будкер возглавлял созданный в 1958 году Институт ядерной физики в Академгородке Новосибирска и руководил разработкой ВЭПП-2 – одного из ранних электрон-позитронных коллайдеров. В институте уже был электрон-электронный коллайдер ВЭП-1, запущенный в 1962-м и до сих пор остающийся единственным за всю историю вертикальным устройством такого типа.
Когда пучок заряженных частиц движется в ускорителе, у частиц есть не только продольная скорость, но и поперечная, вызванная тепловым движением. Чем выше температура частиц, тем выше поперечная скорость, и в результате пучок постепенно расплывается в поперечном направлении. Чтобы сфокусировать пучок, нужно его в буквальном смысле охладить, то есть заставить частицы отдать тепловую энергию.
Для лёгких частиц, таких как электроны, эта операция относительно проста. Когда электроны движутся в циклическом ускорителе, они испускают синхротронное излучение, быстро теряя энергию и, соответственно, охлаждаясь. При охлаждении их поперечные скорости уменьшаются, пучок перестаёт расплываться и фокусируется. С ионами провернуть такое гораздо сложнее: они в тысячи раз тяжелее электронов и начинают генерировать синхротронное излучение при энергиях в десятки тераэлектронвольт (для сравнения: максимальная энергия одного пучка в Большом адронном коллайдере – 7 ТэВ, а в 1960-х о таком можно было только мечтать). Будкер предложил искусственно охлаждать пучки ионов, в буквальном смысле «смешивая» их с уже охлаждёнными и разогнанными до тех же продольных скоростей электронами на определённом участке траектории. Ионы при этом взаимодействуют с электронами посредством электромагнитных сил, отдавая им энергию и в свою очередь охлаждаясь.
Для проверки идеи к 1971 году в институтских мастерских была построена специальная установка. Всё оказалось не очень просто: команда, работавшая над ускорителем-охладителем, на протяжении ещё трёх лет не могла получить сколько-нибудь приемлемых результатов (и, кстати, над учёными висел дамоклов меч – за эти годы они не сделали ни одной публикации). Но в 1974 году был наконец построен функциональный накопитель НАП-М, на котором получили первый практический результат. Сердцем устройства стала ЭПОХА (установка с электронным пучком для охлаждения антипротонов). Дальше дело пошло лучше: к 1976-му на опытной установке было открыто явление быстрого электронного охлаждения, удалось провести множество исследований, вышло множество статей.
К сожалению, Герш Будкер этого уже не застал – он скончался в 1977 году. Техника электронного охлаждения сегодня используется во многих лабораториях мира. Более того, с её помощью научились не только фокусировать пучок, уменьшая разброс частиц, но с высокой точностью варьировать его профиль. Электронные охладители для многих зарубежных лабораторий (и, кстати, для Большого адронного коллайдера) разрабатывали советские и позже российские учёные – первопроходцы технологии. Например, недавно установленный в исследовательском центре COSY (Юлих, Германия) охладитель строили по немецкому заказу в Институте ядерной физики СО РАН.
