探测器与仪器

切伦科夫辐射(Cherenkov radiation)

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一艘快艇飞驰过湖面,会甩出一道V字形的尾迹,因为它跑得比自己激起的水波还快。一架飞得比声音还快的飞机拖出一道音爆,原因相同。切伦科夫辐射是这件事的光波版本:当一个带电粒子穿过透明材料、走得比光在该材料中行进得还快时,它会在身后留下一道光锥。那道淡淡的蓝光,就是音爆的光学对应物。

关键的微妙之处在于「比光在材料中还快」这句话。在真空里没有东西能跑过光,但光穿过水或玻璃时会变慢——例如在水中,光只以它真空速度的约四分之三行进。一个高能带电粒子可以轻易超过这个被降低的速度,而不违反任何规则,因为宇宙的速度上限是光在真空中的速度,它依然没有超过那个上限。当它确实超过时,这个粒子会突然地极化沿途的原子,使它们辐射出一道相干的波前,而几何关系迫使这道光成为一个圆锥,其张角恰好取决于粒子走得多快。测出这个角(或者干脆看是否有光出现),你就知道了粒子的速度。

这使切伦科夫辐射成为粒子鉴别、以及探测那些本来几乎看不见的粒子的绝佳工具。环成像切伦科夫探测器把光锥拍成一圈光环,从中读出速度;结合动量,便得到质量乃至身份,尤其用于区分介子和K介子。在巨大的尺度上,像超级神冈那样的水箱探测器,靠一次罕见的中微子相互作用所产生的带电粒子的切伦科夫光来捕捉中微子,而冰立方在一立方千米的南极冰里做着同样的事。核反应堆水中常见的那种蓝光,就是快速电子产生的日常切伦科夫辐射。

超级神冈是一只装着五万吨超纯水的水箱,内壁布满光电倍增管。偶尔一个中微子撞上一个原子核,产生一个快速带电粒子;这个粒子在水中跑过了光,在壁上画出一圈发光的切伦科夫光环,中微子的方向和种类便从中读出。

一记光学音爆,被读作一圈蓝光。

没有任何规则被打破:这里没有任何东西跑过真空中的光,只是跑过了水或玻璃中较慢的光。真空中的速度上限依然完好。

又称
Cherenkov lightCerenkov radiation契伦科夫辐射契倫科夫輻射