切倫科夫輻射(Cherenkov radiation)
/ cher-EN-kov /
一艘快艇飛馳過湖面,會甩出一道V字形的尾跡,因為它跑得比自己激起的水波還快。一架飛得比聲音還快的飛機拖出一道音爆,原因相同。切倫科夫輻射是這件事的光波版本:當一個帶電粒子穿過透明材料、走得比光在該材料中行進得還快時,它會在身後留下一道光錐。那道淡淡的藍光,就是音爆的光學對應物。
關鍵的微妙之處在於「比光在材料中還快」這句話。在真空裡沒有東西能跑過光,但光穿過水或玻璃時會變慢——例如在水中,光只以它真空速度的約四分之三行進。一個高能帶電粒子可以輕易超過這個被降低的速度,而不違反任何規則,因為宇宙的速度上限是光在真空中的速度,它依然沒有超過那個上限。當它確實超過時,這個粒子會突然地極化沿途的原子,使它們輻射出一道相干的波前,而幾何關係迫使這道光成為一個圓錐,其張角恰好取決於粒子走得多快。測出這個角(或者乾脆看是否有光出現),你就知道了粒子的速度。
這使切倫科夫輻射成為粒子鑑別、以及探測那些本來幾乎看不見的粒子的絕佳工具。環成像切倫科夫探測器把光錐拍成一圈光環,從中讀出速度;結合動量,便得到質量乃至身份,尤其用於區分介子和K介子。在巨大的尺度上,像超級神岡那樣的水箱探測器,靠一次罕見的微中子交互作用所產生的帶電粒子的切倫科夫光來捕捉微中子,而冰立方在一立方千米的南極冰裡做著同樣的事。核反應爐水中常見的那種藍光,就是快速電子產生的日常切倫科夫輻射。
超級神岡是一隻裝著五萬噸超純水的水箱,內壁布滿光電倍增管。偶爾一個微中子撞上一個原子核,產生一個快速帶電粒子;這個粒子在水中跑過了光,在壁上畫出一圈發光的切倫科夫光環,微中子的方向和種類便從中讀出。
一記光學音爆,被讀作一圈藍光。
沒有任何規則被打破:這裡沒有任何東西跑過真空中的光,只是跑過了水或玻璃中較慢的光。真空中的速度上限依然完好。