Эффект Черенкова: открытие знаменитого физика вдохновляет современных исследователей
28
июля
2024
120 лет тому назад, 28 июля 1904 года, родился Павел Черенков, знаменитый физик, академик, нобелевский лауреат, который обнаружил таинственное свечение заряженных частиц, движущихся… быстрее света. Открытие до сих пор вдохновляет ученых на новые исследования, а в основе многих суперсовременных установок для изучения устройства нашего мира лежит черенковский детектор.
Радость учения, счастье открытий
Ничто не предвещало рождения будущего большого ученого. Павел Черенков появился на свет в селе Новая Чигла Бобровского уезда Воронежской губернии, в крестьянской семье, где привыкли много работать и не тратить время на такие пустые занятия как чтение книг или наблюдение за природой. Мать Павла умерла, когда ему едва исполнилось два года. Мачеха, воспитывая четырех дочерей, очень надеялась, что Павел, единственный мальчик в семье, возьмет на себя часть «мужской» работы по дому и даже прятала зимой его шапку, чтобы он не ходил в школу, а «занимался делом». Но страсть к учению была гораздо сильнее боязни простудиться – Павел без шапки бежал на уроки, а после них – в библиотеку.
Павел Черенков окончил церковно-приходскую школу, гимназию, физико-математическое отделение Воронежского государственного университета, а затем – аспирантуру Физико-математического института Академии наук в Ленинграде, где и начал работать над исследованием люминесценции.
«Самая простенькая, малопривлекательная, не обещавшая интересных выводов тема – по исследованию люминесценции – досталась Павлу, по-видимому, как самому провинциальному из аспирантов», – вспоминает дочь ученого, кандидат физико-математических наук Елена Черенкова.
Но именно эта «простенькая тема» принесла ученому всемирную известность. Он обнаружил очень любопытный и ранее неизвестный феномен. Чистая, без всяких примесей, вода начинала светиться под действием радиации. Как показали дальнейшие наблюдения, дело было в заряженных частицах, которые двигались… быстрее света. Как это возможно? Дело в том, что нельзя превысить лишь скорость света в вакууме, в воде свет движется почти на четверть (отношение скорости в вакууме к скорости в среде называется коэффициентом преломления, именно из-за этого эффекта ложка в стакане воды кажется изогнутой). Почти все частицы, рождающиеся или высвобождающиеся в ядерных процессах – релятивистские, то есть двигаются со скоростями, близкими к скороси света в вакууме, и обгоняют сам свет в воде. Когда через воздух пролетает самолёт со скоростью выше скорости волн, то есть звука, в нём возникает ударная волна. Так же волна возникает в среде при прохождении релятивистской частицы. Ее длина волны в воде находится в оптическом диапазоне, все кто видел ядерный реактор, погруженный в воду, наблюдали яркое голубоватое свечение.
«Павел Черенков получил Нобелевскую премию только спустя 20 с лишним лет после публикации результатов своего исследования. Почему так произошло? Потому что до этого у его работы не было какого-то масштабного практического применения. Черенковское излучение довольно слабое. И только распространение такой аппаратуры как фотоэлектронные умножители (приборы, которые регистрируют очень слабые потоки света) позволило создать черенковские детекторы. Они стали широко применяться в экспериментальной физике. И сегодня в основе таких колоссальных по масштабу проектов как, например, Байкальский нейтринный телескоп или детектор нейтрино IceCube на Южном полюсе, лежит детектор черенковского излучения. Частица проходит сквозь лед, рождается свет, свет улавливается фотоэлектронными умножителями», – рассказывает доцент ИЯФиТ НИЯУ МИФИ, старший научный сотрудник НОЦ НЕВОД Егор Задеба.
Элементарные частицы
Эффект Черенкова в нашем университете можно наблюдать не только на исследовательском реакторе ИРТ МИФИ, но и в Научно-образовательном центре НЕВОД.
«Черенковский детектор НЕВОД, который находится на территории МИФИ, для университета достаточно большой – 2 000 тонн воды! Это самый глубокий бассейн в пределах МКАД. Правда, по сравнению с нейтринной обсерваторией на дне озера Байкал НЕВОД очень мал. Зато наш компактный детектор позволяет исследовать космические лучи гораздо более детально, потому что в больших детекторах фотоэлектронные умножители находятся на больших расстояниях друг от друга, а у нас расположены близко и формируют достаточно плотную решетку. Это и позволяет детальнее исследовать каскады, возникающие при прохождении высокоэнергетичных частиц и подсчитывать энерговыделение групп мюонов», – объясняет Егор Задеба.
В НЕВОДЕ используются уникальные приборы – квазисферические модули, состоящие из шести фотоэлектронных умножителей. В воде рождается черенковское излучение, фотоэлектронный умножитель его регистрирует, получается черенковский детектор. По словам Егора Задебы, это один из эффективных инструментов для того, чтобы регистрировать излучение элементарных частиц, определять, сколько энергии частица оставила внутри детектора.
«С помощью черенковских и трековых детекторов мы в МИФИ пытаемся нащупать результаты появления кварк-глюонной плазмы при взаимодействии первичных космических лучей с атмосферой. Это прорывные исследования, их результаты могут сильно удивить весь научный мир», – говорит Егор Задеба.
Кстати, этой весной ученые НИЯУ МИФИ под руководством главного научного сотрудника НОЦ НЕВОД Анатолия Петрухина, возможно, первыми смогли зафиксировать уникальную вспышку на солнце – GLE-74.
Сиянье звезд, глубины океана
Павел Черенков был сильный ученый, экспериментатор, преподаватель, организатор науки. Около 40 лет Павел Алексеевич работал профессором кафедры электрофизических установок НИЯУ МИФИ, вел курс ядерной физики, принимал участие в разработке и развитии технологии ускорителей заряженных частиц. В прошлом году кафедра отмечала 75-летие. Несмотря на солидный возраст, у «Электрофизических установок» не только славное прошлое, но и много перспективных проектов, за которыми будущее. Специалисты кафедры принимают участие в реализации таких масштабных проектов как NICA – новый ускорительный комплекс, благодаря которому ученые смогут воссоздать в лабораторных условиях особое состояние вещества, в котором наша Вселенная пребывала в первые моменты после Большого взрыва, «СИЛА» – источник синхротронного излучения, с помощью которого, возможно, будет совершен прорыв в био- и нанотехнологиях, материаловедении.
«Кроме работ по детектированию, у Павла Черенкова очень много трудов по генерации излучения. Во время работы в ФИАН он со своей командой, состоявшей почти сплошь из выпускников МИФИ, впервые зафиксировал ондуляторное излучение на старом-старом (теперь, а тогда новейшем) слабофокусирующем синхротроне «Пахра». Наша кафедра до сих пор продолжает заниматься источниками синхротронного излучения. Это по-прежнему очень актуальное направление исследований. Источники синхротроного излучения нужны сегодня и в материаловедении для создания и изучения новых материалов, и в биомедицине для синтеза белков, и в фармацевтике для исследования свойств действующих веществ лекарственных препаратов, и даже в археологии – благодаря синхротронному или ондуляторному излучению мы, например, можем узнать, что содержится в древнем запаянном сосуде, не вскрывая его. В настоящее время наша кафедра принимает активное участие в создании нового российского источника синхротронного излучения четвертого поколения «СИЛА» Курчатовского института, мы участвовали в разработке магнитной структуры основного накопительного кольца, а сейчас изготавливаем электронную пушку с фотокатодом», – рассказывает заведующий кафедрой электрофизических установок Сергей Полозов.
В нашем университете до сих пор работает немало сотрудников, которым Павел Черенков читал лекции, некоторые даже вспоминают, как он подвозил после лекций студентов до метро «Коломенская» на своем стареньком «Запорожце». Последние годы Павел Алексеевич возглавлял Государственную экзаменационную комиссию, принимавшую защиту дипломных проектов. Многие выпускники кафедры электрофизических установок гордятся тем, что их дипломы подписаны знаменитым физиком.
Открытие, которое совершил в 1934 году молодой аспирант Павел Черенков, проложило новые пути для исследований в ядерной физике и медицине, изучения далеких звезд и глубин океана.
На «Аллее нобелевских лауреатов» в НИЯУ МИФИ открыт памятник Павлу Алексеевичу Черенкову, первому отечественному лауреату Нобелевской премии по физике, создателю «черенкаторов», неутомимому исследователю, первооткрывателю сверхсветового света.
Материал подготовлен пресс-службой МИФИ.
149
