Научная статья на тему 'Нобелевские премии в “свете” излучения Вавилова-Черенкова. К 125-летию со дня рождения С. И. Вавилова'

Нобелевские премии в “свете” излучения Вавилова-Черенкова. К 125-летию со дня рождения С. И. Вавилова Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
288
29
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Вавилов Ю.Н., Заярная И.С., Нестерова Н.М.

Целью данной публикации не является подробный обзор или анализ работ в области физики высоких энергий, инициированных открытием излучения Вавилова-Черенкова, сделанным более 80 лет назад в Физическом институте им. П. Н. Лебедева (ФИАН), удостоенных Нобелевских премий. Статья написана с целью подчеркнуть историческую значимость открытия эффекта и его ключевую роль в последующих работах в физике высоких энергий, отмеченных высокой наградой Нобелевского комитета. В 1958 году, спустя 24 года после первой публикации о новом явлении излучении электронов, движущихся в веществе со сверхсветовыми скоростями, открытого П.А.Черенковым под руководством С. И. Вавилова, Нобелевская премия была присуждена группе ученых ФИАН П. А. Черенкову, И. М. Франку и И. Е. Тамму “за открытие и объяснение эффекта Черенкова”. С тех пор практическое применение излучения Вавилова-Черенкова получило широкое распространение.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Нобелевские премии в “свете” излучения Вавилова-Черенкова. К 125-летию со дня рождения С. И. Вавилова»

"You measure the quality of the work by the intensity of the astonishment" (Уровень работы оценивается степенью изумления её результатами)

Lewis Thomas

УДК 537.591.15

НОБЕЛЕВСКИЕ ПРЕМИИ В "СВЕТЕ" ИЗЛУЧЕНИЯ ВАВИЛОВА-ЧЕРЕНКОВА. К 125-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ С. И. ВАВИЛОВА

Ю. Н. Вавилов, И. С. Заярная, Н. М. Нестерова

Целью данной публикации не является подробный обзор или анализ 'работ в области физики высоких энергий, инициированных открытием излучения Вавилова-Черенкова, сделанным более 80 лет назад в Физическом институте им. П.Н. Лебедева (ФИАН), удостоенных Нобелевских премий. Статья написана с целью подчеркнуть историческую значимость открытия эффекта и его ключевую роль в последующих работах в физике высоких энергий, отмеченных высокой наградой Нобелевского комитета. В 1958 году, спустя 24 года после первой публикации о новом явлении - излучении электронов, движущихся в веществе со сверхсветовыми скоростями, открытого П.А.Черенковым под руководством С. И. Вавилова, Нобелевская премия была присуждена группе ученых ФИАН - П. А. Черенкову, И. М. Франку и И. Е. Тамму "за открытие и объяснение эффекта Черенкова". С тех пор практическое применение излучения Вавилова-Черенкова получило широкое распространение.

В 1932 году С. И. Вавилов предложил своему аспиранту П.А. Черенкову исследовать люминесцентное свечение растворов ураниловых солей под действием 7-лучей радия. В опытах при детальном количественном изучении возникающего свечения обнаружилось новое явление, не связанное с тривиальной люминесценцией. Первые сообщения об открытии нового эффекта были опубликованы в 1934 году [1, 2]. Автором одной работы был П.А. Черенков, а другой - его руководитель С.И. Вавилов. П.А. Черенков привел

ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: zayar@sci.lebedev.ru, nester@sci.lebedev.ru.

в своей статье результаты экспериментов, описывающих свойства нового излучения. С.И. Вавилов утверждал, что необычное свечение растворов под действием 7-лучей радия не является каким-либо видом люминесценции, и предполагал, что оно вызвано тормозным излучением электронов, поскольку в то время было известно только это излучение однозарядной частицы. В последующих экспериментах было подтверждено, что источником нового эффекта в исследуемых жидкостях являются электроны, а обнаруженная в 1936 году направленность свечения при использовании магнитного поля сыграла ключевую роль в объяснении истинной природы этого явления. Создание теории наблюдаемого эффекта принадлежит физикам-теоретикам ФИАН - И.Е. Тамму и И.М. Франку, который к тому же ассистировал П.А. Черенкову в проведении экспериментов в 30-ые годы. В 1937 году И.Е. Тамм и И.М. Франк опубликовали работу, где новое явление объяснялось излучением электронов (от комтоновского рассеяния гамма-квантов), равномерно движущихся в веществе со скоростью, превышающей скорость (фазовую) света в этой среде [3]. Интересно отметить, в этом же году статья П.А. Черенкова об открытом излучении по совету С.И. Вавилова была направлена в редакцию известного научного журнала Nature, но не была принята к публикации. Затем отвергнутая и ставшая знаменитой спустя годы статья "Visible Radiation Produced by Electron Moving in a Medium with Velocities Exceeding that of Light" [4] была отправлена в американский журнал Physical Review и была успешно опубликована 1937 году.

В течение более десяти лет с момента первой публикации об излучении Вавилова-Черенкова своеобразное и труднонаблюдаемое оптическое явление оставалось без применений в физике, а тем более в технике. Только в 1947 году в Physical Review было опубликовано предложение Геттинга использовать фотоумножители для регистрации черенковского излучения [5], а Дж. Маршалл первым применил черенковский счетчик с фотоумножителем для регистрации искусственно ускоренных электронов [6].

В 50-х годах начались эксперименты по регистрации излучения Вавилова-Черенкова от космических частиц, движущихся к Земле со скоростью, превышающей скорость света в воздухе [7]. В 1955-1957 гг. на Памирской станции ФИАН группой А.Е. Чудакова была создана установка, регистрирующая излучение Вавилова-Черенкова, создаваемого в воздухе электронами "широких атмосферных ливней" (ШАЛ). Анализ данных этого эксперимента позволил восстановить энергетический спектр первичных космических лучей и сделать оценку их массового состава при энергиях свыше 1014 эВ [8].

Развитие физики высоких энергий и усовершенствование экспериментальной техники привели к многочисленному использованию открытого в ФИАН эффекта Вавилова-Черенкова в экспериментах по физике элементарных частиц и космических лучей. При этом многие из этих работ были удостоены Нобелевской премии. В экспериментах на ускорителях:

1. В 1959 г. была присуждена Нобелевская премия Э. Сегре и О.Чемберлену "За открытие антипротона" [9]. Э. Сегре отмечал в лекции, прочитанной в Москве, в конференц-зале ФИАН, в 1957 г.: "Я хотел бы особо отметить среди них черенковский счетчик специального типа, основанный на явлении, открытом здесь в Москве, физиком П. Черенковым много лет назад. Эта часть устройства была очень существенной для нашей установки". Примечательно, что практически одновременно, в 1957 г., аналогичная установка для поисков антипротона была сделана в ФИАН группой А.Е. Чу-дакова. Но когда ее уже привезли на ускоритель в Дубну для проведения измерений, стало известно об открытии антипротона Сегре.

2. В 1961 году Нобелевской премии удостоилась работа Р. Хофштадтера "За пионерские исследования рассеяния электронов на атомных ядрах и достигнутых таким образом открытий, касающихся структуры нуклонов" [9]. Счетчики Черенкова использовались в триггерной системе установки на ускорителе в Стенфорде.

3. В 1976 г. Нобелевскую премию получили Б. Рихтер и С. Тинг "За их пионерские работы в открытии тяжелой элементарной частицы нового типа" [9]. Сильно взаимодействующую частицу 3 (З/^-мезон) обнаружили в Брукхейвенской лаборатории в процессе фоторождения на ядрах в фотонном пучке с энергией ~100 ГэВ. На установке синхротрона черенковские счетчики использовались для подавления фона от адронных пар.

4. В 1980 г. работа Д. Кронина и В. Фитча была отмечена Нобелевской премией "За открытие нарушений принципов фундаментальной симметрии в распаде нейтральных К-мезонов" [9]. По словам Фитча: "Награда, которой удостоены в этом году проф. Кронин и я, присуждена за чисто экспериментальное открытие, которое не подсказывалось ни предшествовавшими опытами, ни теоретическими соображениями". На установке ускорителя в Брукхейвене использовались водные черенковские счетчики.

5. В 1988 г. Нобелевскую премию получили М. Шварц, Д. Стейнбергер и Л. Ледер-ман "За метод нейтринного пучка и демонстрацию дублетной структуры лептонов

путем открытия мюонного нейтрино" [9]. Черенковские счетчики использовались в триггерной системе установки на синхротроне в Брукхейвене.

6. В 1990 г. Нобелевскую премию по физике получили Дж. Фридман, Г. Кендалл и Р. Тэйлор "За пионерские исследования, касающиеся глубоко неупругого рассеяния электронов на протонах и связанных нейтронах, что существенно важно для развития кварковой модели в физике частиц" [9]. В эксперименте на стенфордском ускорителе SLAC для анализа рассеянных электронов применялся спектрометр с черенковскими счетчиками.

В экспериментах с космическими лучами в 2002 г. Нобелевской премии удостоились М. Кошиба и Р. Дэвис "За пионерский вклад в астрофизику в особенности регистрацию космических нейтрино" [9] и в 2015 году канадский ученый А. Макдональд - руководитель эксперимента SNO и японский ученый Т. Кадзита - руководитель эксперимента Super-KamiokaNDE "За открытие осцилляций нейтрино, которые показывают, что нейтрино имеют массу" [9]. В эксперименте Super-KamiokaNDE, запущенном в 1996 году, для регистрации космических нейтрино использовалось более 11000 черенковских счетчиков, а в установке SNO (Sudbery Neutrino Observatory) (запущена в 1999 году) - более 9500 черенковских счетчиков.

Таким образом, открытие и применение свойств излучения Вавилова-Черенкова (направленность, малая длительность высвечивания, наличие порога, универсальность) сыграло важную историческую роль в исследованиях и открытиях в физике высоких энергий. В настоящее время черенковские детекторы продолжают широко использоваться в фундаментальных исследованиях элементарных частиц на ускорителях и свойств космического излучения.

Авторы благодарят ведущего научного сотрудника ЛКЛ ФИАН Чернявского М.М. за написание "схемы" статьи, главного научного сотрудника ЛЭЧ ФИАН Мерзона Г.И. за моральную поддержку и интерес к работе, ведущего научного сотрудника Отделения оптики ФИАН Кудрявцева Е.М. за благожелательное отношение и помощь в ускорении публикации.

ЛИТЕРАТУРА

[1] П. А. Черенков, ДАН СССР 2(8), 451 (1934).

[2] С. И. Вавилов, ДАН СССР 2(8), 457 (1934).

[3] И. М. Франк, И. Е. Тамм, ДАН СССР 14, 107 (1937).

[4] P. A. Cerenkov, Phys. Rev. 52, 378 (1937).

[5] I. A. Getting, Phys. Rev. 71, 123 (1947).

[6] J. Marshall, Phys. Rev. 81, 275 (1951).

[7] W. Galbraith and J. V. Jelley, Nature 171, 349 (1953).

[8] А. Е. Чудаков, Н. М. Нестерова, В. И. 3ацепин, Е. И. Тукиш, Труды Международной конференции по космическим лучам, 2, 46 (1960).

[9] Нобелевские лекции - nobelprize.org

[10] Э. Сегре, Антипротоны. Знание, VIII, 10 (1957), Москва.

Поступила в редакцию 12 февраля 2016 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.