Денисов С.П., "Детекторы черенковского излучения"

№ 7, 2004 г.
Денисов С. П.
Детекторы черенковского излучения
© “Природа”
Использование и распространение этого материала
в коммерческих целях
возможно лишь с разрешения редакции
Сетевая образовательная библиотека “VIVOS VOCO!”
(грант РФФИ 03-07-90415)
vivovoco.nns.ru
vivovoco.rsl.ru
www.ibmh.msk.su/vivovoco
07-04.qxd 02.07.04 0:20 Page 22
ФИЗИКА
Детекторы черенковского излучения
Член-корреспондент РАН С . П . Д е н и с о в
Институт физики высоких энергий
Протвино
В
последние десятилетия
было создано так много
самых разных черенков ских счетчиков, а область их
применения настолько расши рилась, что не стоит и пытаться
охватить все в одной статье.
Попробуем на конкретных при мерах
дать
представление
о том, сколь велико практичес кое значение эффекта излуче ния сверхсветовых частиц, от крытого П.А.Черенковым 70 лет
назад.
Свойства
черенковского
излучения
(1)
Излучение имеет узкую угло вую направленность, обна руженную Черенковым еще в
первых опытах. В изотропных
средах оно распространяется
вдоль поверхности конуса под
© Денисов С.П., 2004
22
c o sθ =
1
.
βn
(2)
Интенсивность свечения была
рассчитана
И.Е.Таммом
и
И.М.Франком. Если на пути дли ной l изменение β мало и в диап а з о н е д л и н в о л н λ 1 ÷λ 2 ( λ 2 > λ 1 )
можно пренебречь дисперсией
среды (т.е. зависимостью n о т
λ) , т о ч и с л о ф о т о н о в , и з л у ч е н ных в этом спектральном ин тервале, равно
N = 2 πα Z 2 l ( 1 –
Свечение Черенкова возни кает при движении заряженной
частицы в среде со скоростью v ,
превышающей скорость c/ n
распространения света в этой
среде ( c — скорость света в вак у у м е , n — п о к а з а т е л ь п р е л о мления среды), т.е. при
v
1
β= c > n .
углом θ к траектории частицы
таким, что
1
1
1
)(
–
)=
β 2n 2
λ1
λ2
= 2 πα Z 2l ·sin 2 θ·(
1
λ1
–
1
λ2
),
(3)
где α = 1/137 — так называемая
постоянная тонкой структуры
и Z — заряд частицы в единицах
заряда электрона.
Чтобы представить масштаб
эффекта, рассмотрим два при мера. Пусть сначала ультрареля т и в и с т с к а я ч а с т и ц а ( β ≅ 1) с Z =1
движется в воздухе, показатель
преломления которого при дав лении 1 атм и температуре 20°С
равен 1.000273. Тогда угол θ составит 23 мрад или чуть больше
1°, и на пути 1 м частица излучит
в с е г о о к о л о 5 0 ф о т о н о в в и н т е рвале длин волн 0.3< λ (мкм)<0.7,
который соответствует области
чувствительности обычных фо -
тоэлектронных
умножителей
(ФЭУ). В слегка расширенном
диапазоне 0.2< λ (мкм)<0.7 (ФЭУ
с кварцевыми окнами) число
фотонов составит уже 90.
Теперь представим, что та же
частица пересекает слой стекла
с n = 1.5 и т о л щ и н о й 1 с м . В э т о м
случае θ = 48°, и в стекле образу ется около 500 фотонов в области λ от 0.3 до 0.7 мкм.
Получается, что свечение
весьма слабое: не случайно Черенкову приходилось подолгу
адаптироваться в темной комнат е , ч т о б ы е г о у в и д е т ь ( г л а з в то
время был самым чувствитель ным «фотоэлементом»). Из-за
малой интенсивности перспек тива практического примене ния черенковского излучения
открылась не сразу. Лишь с со зданием ФЭУ, способных регис трировать очень слабые потоки
света вплоть до отдельных фо тонов, положение резко изме нилось, и, начиная с 50-х годов
прошлого столетия, началось
бурное развитие детекторов ча стиц, основанных на эффекте
Черенкова.
Остановимся на тех из них,
которые предназначены для
идентификации (определения
масс) релятивистских частиц
в экспериментах на ускорителях
и для регистрации космического
излучения. Далее, как это приня то в физике высоких энергий,
скорости частиц будут измерять ПРИРОДА • №7 • 2004
07-04.qxd 02.07.04 0:20 Page 23
ФИЗИКА
ся в е д и н и ц а х с к о р о с т и с р а с пространения электромагнитных волн в вакууме, заряды —
в единицах заряда e электрона,
э н е р г и и E — в М э В ( 1 0 6 э В ) и ГэВ
(10 9 э В ) , и м п у л ь с ы p — в М э В / с
и Г э В / с , м а с с ы — в М э В / с 2. Н а пример, массы электрона, мюо н а , π ±- и K ±- м е з о н а и п р о т о н а
равны соответственно 0.511,
1 0 6 , 1 4 0 , 4 9 4 и 9 3 8 М э В / с 2.
Газовые черенковские счетчики
Основная задача черенков ских счетчиков в экспериментах
на современных ускорителях
с энергиями в десятки и сотни
ГэВ состоит в и д е н т и ф и к а ц и и
частиц, для чего измеряются их
скорости β и затем по извест ным импульсам p определяются
м а с с ы п о к о я m = p √1 –β 2 / β c .
Скорость релятивистской части цы, энергия которой во много
р а з п р е в ы ш а е т m c 2, м о ж н о с х о рошей точностью вычислить по
формуле:
β = 1–
1 mc 2
(
).
2
p
(4)
Из (4) следует, что, например,
разница скоростей π- и K - м е-
а
зонов с одинаковым импульсом
p = 40 ГэВ/с, доступным на про тонном ускорителе Института
физики
высоких
энергий
(ИФВЭ) в г.Протвино, составляе т в с е г о 7 · 1 0 – 5, и д л я и х р а з д е л е ния необходимо измерять ско р о с т и с т о ч н о с т ь ю ∆ β ≤1 0– 5.
Столь высокая точность может
быть достигнута при помощи
газовых черенковских счетчи ков — пороговых, дифференци альных или типа RICH.
В пороговых черенковских
счетчиках для идентификации
частиц используется условие
(1): излучают черенковский свет
и, следовательно, могут быть за регистрированы только те час т и ц ы , с к о р о с т ь к о т о р ы х п р е в ышает
пороговую
величину
β t= 1 / n . Рис. 1 ,а п р е д с т а в л я е т о п тическую схему одного из поро говых счетчиков, используемых
в И Ф В Э , а р и с . 1 ,б п о к а з ы в а е т ,
как с его помощью можно, на п р и м е р , о т д е л и т ь π +- м е з о н ы о т
K +- м е з о н о в и п р о т о н о в в п у ч к е
частиц с импульсом 35 ГэВ/с.
Счетчик наполняется аргоном.
При не очень больших давлени ях P зависимость показателя
преломления аргона от P можно
выразить приближенной формулой: n (P)=1+3·10– 4 P. Используя
приведенные выше соотноше-
ния, нетрудно оценить порого вое
значение
давления
P t≅1 . 7 · 1 0 3 · ·( m c / p) 2 , при п р е в ышении которого частица с массой m и импульсом p начнет из лучать
черенковский
свет.
П р и давлении аргона ниже по р о г а д л я π +- м е з о н о в с р а б а т ы в а ние счетчика в основном связано с небольшой (~1%) примесью
п о з и т р о н о в и µ+ - м е з о н о в в п у ч ке, сцинтилляциями аргона под
действием проходящих через
счетчик частиц и шумами ФЭУ.
Скорость счета при этом нахо дится на уровне нескольких от счетов/с. Как только давление
перешагнет порог, соответству ющий началу излучения пионов,
скорость счета начинает быстро
расти и постепенно выходит на
плато, когда число черенков ских фотонов становится доста точным для регистрации каждо го пиона. Аналогичные скачки
скорости счета наблюдаются
при переходе давления через
пороги излучения каонов и про т о н о в . И з р и с .1 ,б с л е д у е т , ч т о
п р и д а в л е н и и а р г о н а 0 . 2 ÷0 . 3 а т м .
счетчик регистрирует почти все
пионы и слабо чувствителен
к каонам и протонам.
Очевидно, что при помощи
одного порогового счетчика
указанным способом можно
б
Рис.1 . Схема порогового черенковского счетчика ( а) и зависимость скорости счета частиц
в пучке с импульсом 35 ГэВ/с от давления аргона в пороговом черенковском счетчике (б) .
Стрелками показаны пороговые значения давления.
ПРИРОДА • №7 • 2004
23
07-04.qxd 02.07.04 0:20 Page 24
ФИЗИКА
Рис. 2. Схема дифференциального счетчика.
идентифицировать только са мые легкие частицы. Представ ляем читателю самому сообра зить, как можно выделить в пучке, например, каоны, используя
два
пороговых
счетчика.
Но обычно для этой цели при меняют
дифференциальный
счетчик.
Р а з д е л е н и е ч а с т и ц с р а з н ым и м а с с а м и п о с к о р о с т я м в д и фференциальных черенковских
счетчиках основано на связи (2)
м е ж д у с к о р о с т ь ю β и у г л о м θ.
Черенковский свет, излученный
п о д у г л о м θ, с о б и р а е т с я в ф окальной плоскости сферическо го зеркала (рис.2) в кольцо ра диуса
r =
R
t gθ,
2
(5)
где R — радиус зеркала. Если
в фокальной плоскости распо ложить кольцевую диафрагму
и установить за ней ФЭУ, можно
выделить частицы со скоростью
β, о п р е д е л я е м о й ф о р м у л а м и ( 2 ) ,
(5) (значения r, R и n предполагаются известными).
Точность ∆β определения
скорости ограничивается несколькими факторами, главный
из которых — дисперсия газа
24
в счетчике, т.е. зависимость по казателя преломления n и, следовательно, угла θ от длины
в о л н ы с в е т а λ ( р и с . 3 ) . Э т о т э ффект приводит к тому, что коль цо черенковского излучения
в фокальной плоскости сфери ческого зеркала (рис. 2) окрашено во все цвета радуги, при чем его внешний радиус имеет
фиолетовый оттенок, а внутренний — красный (рис. 4). Ока з ы в а е т с я , ч т о ∆ β = ∆n / n , г д е
∆n — и з м е н е н и е п о к а з а т е л я
п р е л о м л е н и я в и н т е р в а л е λ 1÷ λ 2
чувствительности
счетчика
( р и с .3 ) . О т н о ш е н и е ∆n /n з а в и сит от сорта газа, примерно
пропорционально его давлен и ю и для современных приборов находится в пределах
( 2 ÷4 ) · 1 0 – 5 в с п е к т р а л ь н о м д и а пазоне от 0.2 до 0.7 мкм. Можно
ли построить дифференциаль ный счетчик с лучшим разрешением? Да, можно.
Простой путь — сужение спе ктрального диапазона (рис.3 )
и/или уменьшение давления га за и, следовательно, угла излуче ния. Однако это невыгодно, так
как оба варианта приводят к п отере и без того малой интенсив ности черенковского света (3).
Ослабление
свечения
при
уменьшении угла излучения или
«обрезании» спектрального диа пазона можно, вообще говоря,
компенсировать увеличением
длины счетчика. Но тогда быстро растут не только продоль ные, но и поперечные размеры
детектора, усложняется его кон струкция и возрастает стои мость. Кроме того, размеры
счетчика часто бывают ограни чены условиями эксперимента.
Более сложное, но и более эффективное решение пробле м ы — прибегнуть к специальной
оптике, компенсирующей зави с и м о с т ь θ( λ ) . В п е р в ы е т а к о е у с тройство (дублет конических
призм из кристалла NaCl и плавленого кварца, установленный
перед кольцевой диафрагмой)
было применено в счетчике [1],
который использовался для
идентификации частиц в пучках
ускорителей ЦЕРН и ИФВЭ.
Компенсация дисперсии газа
позволяет достигнуть разреше н и я ∆β /β ~ 1 0 – 6 п р и р е г и с т р а ц и и
частиц в пучках с энергией сотни ГэВ.
Отметим, что все черенков ские фотоны, независимо от ме ста излучения, соберутся в фо кальной плоскости одновре менно. Благодаря этому черен ковские счетчики обладают
очень хорошим временны˜м раз решением, которое определяет ся только свойствами ФЭУ и р егистрирующей электроники.
Н а р и с . 5 п о к а з а н а з а в и с им о с т ь с к о р о с т и с ч е т а π –, K –- м е зонов и антипротонов с импульсом 45 ГэВ/с от величины пока зателя преломления рабочего
г а з а ( C O2) в д и ф ф е р е н ц и а л ь н о м
счетчике с компенсацией дисперсии
[2],
разработанном
в ИФВЭ. Видно, что при помощи
счетчика можно надежно иден тифицировать все три сорта ча стиц, хотя доля каонов в пучке
составляет всего ~0.01, а антипротонов еще в 10 раз меньше.
Счетчик использовался во мно гих экспериментах на ускорите ле ИФВЭ, в том числе для иссле д о в а н и й з а к о н о м е р н о с т е й р о ждения частиц в сильных взаимо действиях, которые привели
ПРИРОДА • №7 • 2004
07-04.qxd 02.07.04 0:20 Page 25
ФИЗИКА
Рис.3 . Зависимость показателя
преломления аргона от длины волны.
Рис. 4. Положение кольца черенковского
света в фокальной плоскости сферического
зеркала (см.рис.2). Радужная окраска
кольца связана с дисперсией газа.
Рис. 6. Кольца черенковского излучения от
протона и двух π-мезонов,
зарегистрированные в детекторе RICH [4].
Точками показаны центры ФЭУ в матрице,
шестиугольниками — сработавшие ФЭУ.
3
Рис. 5. Идентификация π -, K -мезонов
–
–
и антипротонов в пучке отрицательных
частиц с импульсом 45 ГэВ/с при помощи
дифференциального счетчика [2]
с компенсацией дисперсии, наполненного
CO 2 . I — число делений шкалы
интерферометра, пропорциональное (n –1).
к открытию масштабной инва риантности в образовании ад ронов [3].
О с н о в н ы е н е д о с т а т к и д и фференциальных счетчиков —
сильное ограничение на раз брос частиц по углам и способность регистрировать в данный
ПРИРОДА • №7 • 2004
момент только одну частицу.
Поэтому они применяются,
в о с н о в н о м , д л я и д е н т и ф и к ац и и ч а с т и ц в х о р о ш о с ф о р м ированных пучках. Когда необ ходимо регистрировать части цы в большом интервале углов
и/или одновременно несколько
частиц, применяют детекторы
типа RICH.
Если траектория заряженной
частицы не параллельна оси
с ч е т ч и к а Z ( р и с .2 ) , а и м е е т о т носительно нее угловые коор д и н а т ы θ p , ϕ p , то к о л ь ц о , в к о т о рое соберется черенковский
25
07-04.qxd 02.07.04 0:20 Page 26
ФИЗИКА
свет в фокальной плоскости
сферического зеркала, смес тится: его центр будет иметь по л я р н ы е к о о р д и н а т ы r 0 = R / 2 t g θ p,
ϕ0 = ϕp ( р и с . 4 ) . Т а к и м о б р а з о м ,
определив положение центра
и радиус r кольца черенковского излучения, можно не только
измерить скорость частицы,
но и найти угловые координаты
ее траектории, что и реализуется в счетчиках RICH (Ring Ima ging CHerenkov). В них вместо
кольцевой диафрагмы (рис. 2)
в фокальной плоскости поме щаются приемники, способные
эффективно регистрировать от дельные фотоны и измерять их
координаты — например, ФЭУ
с небольшим диаметром фото катода. Один из первых счетчи ков RICH, в котором для регист рации колец черенковского све та использовалась матрица из
736 умножителей с диаметром
фотокатода 10 мм, был создан
в 1989 г. для экспериментов на
у с к о р и т е л е И Ф В Э [ 4 ] . Н а р и с .6
показан случай, когда в матрице
одновременно зарегистрированы три кольца. По радиусам колец были рассчитаны скорости
соответствующих им частиц,
и затем по известным импуль сам, измеренным при помощи
магнитного спектрометра, оп ределены их массы покоя: две
частицы оказались пионами
и одна — протоном. Позднее
в ИФВЭ был разработан и изгот о в л е н 1 0 -м е т р о в ы й с ч е т ч и к
RICH [5] с матрицей из 2848 ФЭУ
для экспериментов в Национальной ускорительной лабора тории им.Ферми (ФНАЛ) в США.
Счетчик заполнялся неоном при
давлении 1 атм. Он позволял
разделять пионы и каоны до
энергий 185 ГэВ и п и о н ы и п р от о н ы — до 320 ГэВ.
Р е г и с т р а ц и я к о л е ц ч е р е нковского излучения матрицей
из большого числа ФЭУ имеет
целый ряд достоинств, но вместе с тем делает RICH весьма до рогим прибором. Кроме того,
точность определения коорди нат фотона ограничена диамет ром фотокатода ФЭУ. Дешевле
вместо матрицы ФЭУ использо 26
вать, например, дрейфовые
проволочные камеры или газо вые электронные умножители
GEM [6], которые имеют очень
хорошее координатное разре шение, но уступают ФЭУ по
другим характеристикам, например, по временно˜му разрешению.
Спектрометры
полного поглощения
Измерение энергии и идент и ф и к а ц и я γ- к в а н т о в и э л е к т р о нов (позитронов) высокой энер г и и — в а ж н е й ш и е з а д а ч и в ф из и к е ч а с т и ц . Э т о с в я з а н о , в ч а с тности, с тем, что большинство
частиц нестабильно, и многие
из них через очень короткое
время, не позволяющее зарегистрировать их непосредственно,
распадаются в конечном счете
н а γ- к в а н т ы и э л е к т р о н ы . В к а ч е стве примера можно привести
р а с п а д ы π 0 - и η- м е з о н о в н а
2 γ- к в а н т а и л и J/ψ –-, ψ′ -, ϒ- ч а с тиц и переносчика слабого взаим о д е й с т в и я Z 0- б о з о н а н а э л е к трон и позитрон. Указанные ча стицы играют фундаментальную
роль в микромире, и многие эксперименты в физике высоких
энергий направлены на изуче ние их свойств и закономерностей образования.
Единственный для γ-квантов
и один из основных для элек тронов способ определения
энергии в области больше не скольких ГэВ — метод полного
поглощения электромагнитных
ливней, создаваемых ими в веществе детектора. Рассмотрим,
как возникают электромагнит ные ливни.
Результатом взаимодействия
ультрарелятивистских электронов и позитронов с атомными
ядрами A среды чаще всего ста новится тормозное излучение
фотонов:
e + A → e′ + A′ + γ
(штрих означает изменение
энергии частицы). Аналогично,
самым вероятным процессом
д л я γ- к в а н т о в с э н е р г и я м и в д е сятки МэВ и выше оказывается
образование
э л е к т р о н - п о з итронных пар:
γ + A → e + + e – + A′.
Посмотрим, что случится при
попадании, например, высоко э н е р г и ч н о г о γ- к в а н т а в о ч е н ь
т о л с т ы й ( ≥4 0 с м ) с л о й о п т и ч е с кого стекла, скажем, марки ТФ1
(тяжелый флинт). Пролетев
в таком стекле примерно 2 см,
γ- к в а н т п р е в р а т и т с я в э л е к т р о н
и позитрон, которые, в свою
очередь, на той же дистанции
~2 см потеряют около половины
энергии на тормозное излуче ние. Тормозные фотоны, проле тев опять ~2 см, породят новые
п а р ы e +e – и т . д . Э т о т п р о ц е с с л а винообразного размножения
частиц и, следовательно, дроб ления их энергии будет продол жаться до тех пор, пока реакции
тормозного излучения и рождения пар играют доминирующую
роль. Затем, когда средние энер гии частиц в ливне станут мень ше так называемой критической
энергии (для стекла ТФ1 она со ставляет ~20 МэВ), в дело всту п я т д р у г и е п р о ц е с с ы ( н а п р имер, ионизационные потери
энергии для электронов и позитронов), приводящие к уменьшению потока частиц. Образо вавшиеся в веществе электроны,
п о з и т р о н ы и γ- к в а н т ы и с о с т а в ляют электромагнитный ливень.
Число частиц в ливне достигает
максимума на глубине стекла t =
= 1 5÷ 2 0 с м , а з а т е м б ы с т р о
у м е н ь ш а е т с я и п р и t ≥4 0 с м с т а новится пренебрежимо малым.
Легко сообразить, что ливень от
первичного электрона или по зитрона будет развиваться ана л о г и ч н о л и в н ю о т γ- к в а н т а .
Естественно, ливневые элек т р о н ы и позитроны излучают
в стекле черенковский свет.
Суммарная длина треков всех
электронов и позитронов в ливне и, следовательно, число че ренковских фотонов оказывает ся пропорциональным энергии
первичной частицы. Таким об разом, измерив при помощи
фотоумножителя
интенсив ПРИРОДА • №7 • 2004
07-04.qxd 02.07.04 0:20 Page 27
ФИЗИКА
ность вспышки черенковского
излучения в толстом блоке стек ла, можно определить энергию
частицы, вызвавшей ливень.
Точность измерения энергии
о п р е д е л я е т с я ф о р м у л о й ∆E /E =
= 0 . 0 5 √E + 0 . 0 1 , г д е E и з м е р я е т с я
в ГэВ. При э н е р г и я х э л е к т р о н о в
и γ- к в а н т о в б о л ь ш е 2 5 Г э В э н е р гетическое разрешение стано вится лучше 2%.
Заметим, что для частиц
с массой m интенсивность тор м о з н о г о и з л у ч е н и я ~ 1 / m 2. С а мая близкая по массе частица
к электрону — мюон. Поскольку
m µ/ m e ≅ 2 · 1 0 2 , в е р о я т н о с т ь и з л у ч е н и я т о р м о з н о г о γ- к в а н т а м ю оном почти в 4 0 000 раз мень ше, чем для электрона, и он реально не вызовет развития эле ктромагнитного ливня в стек ле. И действительно, черенковский свет от мюона (обуслов ленный как излучением самого
мюона, так и быстрыми элек тронами, выбитыми им из ато мов в стекле) гораздо слабее,
ч е м с в е т о т э л е к т р о н о в и γквантов
высокой
энергии.
На этом основан принцип
идентификации электронов и
γ- к в а н т о в п р и п о м о щ и с п е к т р о метров полного поглощения.
В настоящее время широкое
применение в экспериментах на
ускорителях для регистрации
э л е к т р о н о в и γ- к в а н т о в н а ш л и
спектрометры полного погло щения типа ГАМС [7], разра ботанные в ИФВЭ под руковод ством Ю.Д.Прокошкина. Они
представляют собой «стенки» из
блоков особо прозрачного оп тического стекла, как правило,
марок Ф8 или ТФ1. Характер ный размер блока 4 ×4×4 0 с м .
Каждый блок «просматривает ся» своим ФЭУ. Наряду с энергией такие спектрометры поз воляют измерять с высокой точностью координаты попадающих в детектор частиц (по рас пределению энергии ливня
в поперечном направлении).
Самый большой спектрометр
ГАМС, созданный в ИФВЭ около
20 лет назад для экспериментов
в ЦЕРН, содержит 4000 блоков
стекла. Крупные спектрометры
ПРИРОДА • №7 • 2004
Рис. 7. Общий вид детектора ГАМС -2000, используемого
в экспериментах на ускорителе ИФВЭ.
этого типа используются в
И Ф В Э ( р и с .7 ) , Ф Н А Л и Б р у к х е й венской национальной лабора тории (США).
Регистрация
космических частиц
Электромагнитные
ливни
могут развиваться не только
в плотных средах, но и в газах,
включая атмосферу Земли. На п р и м е р , с р е д н и й п у т ь γ- к в а н т а
в в о з д у х е д о п р е в р а щ е н и я в э л е ктрон и позитрон равен 390 м
при давлении 1 атм. С точки зрения развития ливня атмосфера
э к в и в а л е н т н а 5 0 -с а н т и м е т р о в о му блоку стекла ТФ1, и высокоэ н е р г и ч н ы е γ- к в а н т ы , п о п а д а ющие в атмосферу из космоса,
должны дать мощное черенков -
ское излучение. Источниками
т а к и х γ- к в а н т о в с л у ж а т д а л е к и е
звезды, и изучение энергетичес к и х с п е к т р о в γ- к в а н т о в п о м о г а ет лучше понять процессы, про исходящие во Вселенной. Этим
занимается молодая наука —
гамма-астрономия.
Первые эксперименты по на б л ю д е н и ю ч е р е н к о в с к и х в с п ышек от космических частиц был и в ы п о л н е н ы е щ е в 5 0 -х г о д а х
прошлого столетия В.Голбрай т о м и Дж.Джелли, а также
Н.М.Нестеровой и А.Е.Чудаковым. Сейчас функционируют
н е с к о л ь к о к р у п н ы х э к с п е р иментальных установок, на кото рых проводятся исследования
в области гамма-астрономии.
Черенковский свет в них регистрируется либо непосредствен но ФЭУ с большими фотокато дами, либо детекторами, похо 27
07-04.qxd 02.07.04 0:20 Page 28
ФИЗИКА
жими на прожекторы. В фокусе
прожекторных зеркал, имеющих диаметр до нескольких ме т р о в , р а с п о л а г а ю т с я ч у в с т в ительные фотоприемники. Чтобы
у м е н ь ш и т ь ф о н о т п о с т о р о ннего света и определить направление движения первичного
γ- к в а н т а , в о д н о й у с т а н о в к е и с пользуется ряд таких детекто ров, расположенных на некото ром расстоянии друг от друга,
причем отбираются события,
когда сигналы в детекторах появляются одновременно. Экспе римент, естественно, ведется
только в безлунные ночи при
прозрачной атмосфере.
Черенковское излучение со провождает не только электро магнитные ливни, но и так называемые широкие атмосфер ные ливни, которые возникают
при взаимодействии космичес ких адронов высоких энергий
с ядрами азота, кислорода и дру-
гих
компонентов
воздуха.
П р и этом обильно рождаются
π 0 -м е з о н ы , к о т о р ы е б ы с т р о р а с п а д а ю т с я н а д в а γ- к в а н т а , в ы з ывающих электромагнитные лив ни. Благодаря регистрации че ренковского излучения удается
получать информацию о широком атмосферном ливне на всем
пути его развития, тогда как
другие методы позволяют ис следовать характеристики лив ня лишь на определенной глу бине атмосферы.
Здесь нельзя не упомянуть
космическую
обсерваторию,
носящую имя французского фи зика П.Оже, одного из пионеров
исследования космических лучей. Обсерватория создается
в Аргентине при сотрудничест ве ученых из 19 стран. Ее осно ву составляют 1600 детекторов,
расположенных через 1.5 км на
п л о щ а д и 3 0 0 0 к м 2. К а ж д ы й д е тектор представляет собой ци -
л и н д р с о с н о в а н и е м 1 0 м 2 и в ысотой 1.2 м, заполненный во дой. Черенковский свет, излу ченный в воде заряженными ча стицами широкого атмосфер ного ливня, собирается на полу сферический ФЭУ с диаметром
фотокатода 23 см. Помимо че ренковских счетчиков в уста новке имеются детекторы для
регистрации флуоресценции
воздуха, вызванной взаимодей ствием заряженных частиц
с атомами азота. Обсерватория
нацелена на изучение ливней
с предельно высокими энергия м и ≥1 0 2 0 э В .
Но есть один тип космичес ких частиц, которые очень сла бо взаимодействуют с веществ о м и их нельзя зарегистриро вать по ливням в атмосфере —
это нейтрино. Изучение косми ческих нейтрино представляет
особый интерес, так как может
дать информацию о процессах,
Рис.8 . Общий вид установки
SuperKamiokande. 50 000 т
очень чистой воды
находятся
в цилиндрическом
резервуаре высотой 41.4 м
и радиусом основания 20 м.
Возникающий в воде
черенковский свет
регистрируется при помощи
28
ПРИРОДА • №7 • 2004
07-04.qxd 02.07.04 0:20 Page 29
ФИЗИКА
Рис.9 . Схема расположения
детекторов черенковского
излучения Байкальского
нейтринного телескопа.
происходящих в глубинах галактик и звезд, в частности вну три Солнца. Это епархия еще
о д н о й н о в о й н а у к и — н е й т р и нной астрономии. Чтобы «уло вить» данные частицы, прихо дится строить гигантские де текторы — весом в тысячи тонн
и более — и помещать их глубо ко под землей или под водой
для снижения фона от всех дру гих, менее проникающих, кос мических частиц. А регистрируется в данном случае все то
же черенковское излучение —
от вторичных заряженных час тиц, возникших при взаимо действии нейтрино в воде (во да — с а м ы й д е ш е в ы й , а и н о г д а
и бесплатный черенковский ра диатор).
Крупнейший
подземный
водный детектор — SuperKamio kande [8] (рис.8). Он располо жен в глубокой шахте под горой
Камиока в 300 км от Токио. Ос новные направления исследо ПРИРОДА • №7 • 2004
ваний связаны с регистрацией
нейтрино: измерением потока
нейтрино от Солнца и изучением энергетического спектра
нейтрино, которые возникли
при взаимодействии космичес ких лучей в атмосфере. В частности, данные, полученные на
этой установке вместе с результатами опытов на другой под земной установке SNO (Канада),
использующей тяжелую воду
( D 2O ) , п о з в о л и л и о б н а р у ж и т ь
осцилляции солнечных нейт р и н о [ 9 ] . К с о ж а л е н и ю , в 2 0 0 2 г.
на японской установке произо шла авария, в результате которой вышло из строя значитель ное число дорогостоящих ФЭУ.
В настоящее время установка
восстанавливается, и скоро исследования на ней будут про должены.
Байкальский нейтринный те лескоп [10] — первый глубоко водный детектор космических
частиц. Выбор озера Байкал
Рис.1 0. Монтаж гирлянды
из ФЭУ в скважине,
пробуренной в ледяном
покрове Антарктиды.
29
07-04.qxd 02.07.04 0:20 Page 30
ФИЗИКА
обусловлен большой глубиной
(до 1.7 км) и прозрачностью воды. Кроме того, зимой оно по крывается толстым слоем льда,
что упрощает монтаж установ ки. Черенковский свет от мюо нов и взаимодействий нейтрино
на больших глубинах регистри руется фотоумножителями, опу скаемыми под воду на специаль ных тросах — стрингах (рис.9).
Установка предназначена для
исследования энергетических
спектров нейтрино и мюонов,
а также поиска новых частиц
с необычными свойствами, ко торые могли бы прилететь из
далеких миров. Сейчас строятся
еще 3 глубоководных детекто ра — A N T A R E S , N E S T O R и N E M O .
Все они располагаются в Средиземном море у берегов Греции,
Италии и Франции на глубинах
от 2.4 до 4.1 км. Идея использо вания естественных водоемов
для регистрации космических
нейтрино была впервые сфор мулирована
А.А.Марковым
в 1 9 6 0 г.
Кроме глубоководных суще ствуют и наземные водные де текторы космических лучей.
К ним относится, например, со зданная в Московском инженер но-физическом институте уста -
новка НЕВОД, которая способна
регистрировать все основные
компоненты космических лу чей, включая прошедшие сквозь
Землю нейтрино.
Не только вода, но и лед используется в качестве радиаторов черенковского излучения
к о с м и ч е с к и х ч а с т и ц . В А н т а р ктиде были обнаружены много километровые слои прозрачно го льда, и этим воспользовались
физики для создания на Южном
полюсе комплекса AMANDA [11].
Черенковский свет, возникший
во льду, регистрируется не сколькими гирляндами из фото у м н о ж и т е л е й , о п у щ е н н ы х в г л убокие
отверстия
(рис.1 0).
По сравнению с водой лед обла дает целым рядом преимуществ:
он неподвижен, в нем нет светя щихся микроорганизмов, созда ющих фон на больших глубинах
естественных водоемов, радио активный фон льда очень мал,
низкая температура способствует уменьшению шумов ФЭУ.
Сейчас недалеко от детектора
AMANDA строится еще более
грандиозное сооружение под
названием ICECUBE, в котором
«просматриваемый» объем льда
с о с т а в и т 1 к м3. Г л а в н о е н а п р а в ление работ на установках
A M A N D A и I C E C U B E — н е й т р и нная астрономия.
***
Черенковские счетчики иг рают исключительно важную
роль в физике частиц. Именно
они были основным инстру ментом в экспериментах на ус корителях по обнаружению
и исследованию образования
антивещества, изучению зако номерностей рождения и взаимодействия ядерно-активных
частиц — адронов, поиску но вых частиц и процессов в микромире. Трудно переоценить
и значение черенковских детек торов для регистрации косми ческих лучей. Использование
в к а ч е с т в е р а д и а т о р о в ч е р е нковского излучения земной ат мосферы, искусственных и е стественных водоемов и антарктических льдов позволило со здать уникальные по своим воз можностям установки для ис следований в области гаммаи нейтринной астрономии. Ре зультаты этих работ существен но расширили наши знания
о
процессах
образования
и свойствах космических час тиц, в частности нейтрино.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Duteil P., Gilly L., Meunier R. et al. // Rev. Sci. Instrum. 1964. V.35. P.1523—1524.
Бушнин Ю.Б., Горин Ю.П., Денисов С.П. и др. // ПТЭ. 1971. №1. C.65—67.
Б и н о н Ф . , Д е н и с о в С . П . , Д ю т е й л ь П . и д р . // ЯФ. 1970. №11. С.636—639. Phys.Lett. 1969. B30. P.506—509.
Kozhevnikov A., Kubarovsky V., Molchanov V. et al. // Nucl. Instr. Meth. 1999. V.A433. P.164—167.
Engelfried J., Filimonov I., Kilmer J. et al. // Nucl. Instr. Meth. V.A431. P.53—69.
S a u l i F . // Nucl. Instr. Meth. 1997. V.A386. P.531—534.
Binon F., Buyanov V.M., Donskov S.V. et al. // Nucl. Instr. Meth. 1986. V.A248. P.86—102.
Fukuda S., Fukuda Y., Hayakawa J. et al. (SuperKamiokande Collaboration) // Nucl. Instr. Meth. 2003. V.A501.
P.418—462.
9. К о п ы л о в А . В . С о л н е ч н ы е н е й т р и н о : н о в ы е р е з у л ь т а т ы / / П р и р о д а . 2 0 0 4 . № 2 . С . 5 — 1 1 .
1 0 . Arpesella C., Bellotti E. and Bottiro F . // Nucl. Phys. (Proc. Suppl). 1994. V.B35. P.290—293.
1 1 . H a l z e n F . // Nucl. Phys. (Proc. Suppl). 1995. V.B38. P.472—483.
30
ПРИРОДА • №7 • 2004