“Световой барьер” в черенковском излучении: на пути к экспериментальному доказательству

В феврале прошлого года в ЦЕРН мне удалось ознакомиться с уникальной установкой NA49, на которой успешно проводятся исследования взаимодействия релятивистских ионов свинца с импульсом около 160 ГэВ на нуклон с ядрами покоящейся мишени. После осмотра установки я попросил Андре Сандовала передать руководству эксперимента NA49 письменное предложение группы физиков из ОИЯИ экспериментально доказать существование особого излучения в газе, возникающего на пороге черенковского излучения.

Это излучение должно быть своеобразным электродинамическим аналогом известного в аэродинамике “звукового барьера”. Подобное же волновое явление хорошо известно также и в гидродинамике. Еще в прошлом веке было установлено, что при движении судна со скоростью, равной скорости распространения волны, все возмущение поверхности воды сосредоточено непосредственно перед носовой частью судна в виде водяного вала – нелинейного волнового возмущения среды.

В начале апреля 1998 года в Дубну пришло извещение, что на собрании представителей коллаборации эксперимента NA49 было одобрено наше предложение и решено в начале октябрьского сеанса предоставить нам три дня для проведения первых испытаний. С этого момента и началась подготовка к проведению эксперимента на пучке релятивистских ионов свинца. Дирекция ОИЯИ нашла возможность выделить из резерва средства для отправки двух человек на месяц в Женеву.

Прежде всего мы отправили в Братиславу Яну Ружичке – нашему коллеге и соавтору сообщение с просьбой принять все необходимые меры для прибытия в Женеву в октябре. Дело в том, что он среди нас был наиболее опытным в части исследования различных свойств черенковского излучения фотографическим методом.

Ранее Ян Ружичка провел обширное исследование излучения в газах до черенковского порога на пучке электронов на ускорителе ВЭПП-3 в Новосибирске. Результаты этих исследований были представлены в его докторской диссертации, с которой я ознакомился в 1993 году. Как официальный оппонент я тогда не согласился с его объяснением наблюдаемого излучения только за счет эффекта переходного процесса. Этому объяснению противоречил один экспериментальный факт, полученный диссертантом. При значительном уменьшении давления газа в счетчике (в 100 раз по сравнению с пороговым) на фотографии почти полностью исчезло прежнее темное пятно от допорогового излучения. Это означало, что наблюдаемое диссертантом ниже порога излучение в основном было обусловлено процессом, происходящим в самом газе.

Размышления над этой проблемой привели меня к неожиданному выводу о существенной неполноте теории И. Е. Тамма и И. М. Франка, успешно объяснявшей макроскопическую природу возникновения черенковского излучения. В этой теории, однако, было допущено явное отступление от принципа Гюйгенса для процесса на самом пороге, где в результате суммирования когерентных волн в одной точке должно происходить повышение интенсивности наблюдаемого излучения, а также и характерное для электродинамики индуцированное излучение возбужденных атомов среды. Эта самая удивительная черта предсказанного излучения была выделена первыми словами самого названия моей статья “Об индуцированном излучении…”, направленной в “Краткие сообщения ОИЯИ” (Дубна, 1993). Статья эта и стала впоследствии идейной основой для наших совместных предложений экспериментально доказать существование аномальных свойств излучения в газе при давлении ниже порога (см., например, В. П. Зрелов, Я. Ружичка, А. А. Тяпкин “Краткие сообщения ОИЯИ”, Дубна, 1998).

В качестве первого шага на пути к цели нам предстояло направить в ЦЕРН чертеж расположения нашей установки на канале эксперимента NA49. Эту задачу своевременно удалось решить благодаря конструктору ЛЯП Е. М. Андрееву, который в неурочное время выполнил требуемый чертеж. Затем начался сбор по разным секторам и отделам ЛЯП, ЛВЭ и ЛСВЭ дюралевых профилей для изготовления фермы и коляски с черенковским счетчиком. Механик нашего отдела А. И. Егоров за неделю собрал ферму в испытательном павильоне, и мы с ним приступили к первому испытанию. Затем исполняющий обязанности начальника мастерских ЛЯП В. В. Дмитриев организовал срочную покраску фермы. Вскоре участник нашего эксперимента профессор А. С. Водопьянов нашел возможности упаковать все детали фермы в ящик с оборудованием установки “Алиса”, отправляемого в Женеву. Перед самым отъездом Б. С. Неганов проверил гелиевым течеискателем всю вакуумную систему нашего черенковского счетчика. Он обнаружил непригодность входного вакуумного вентиля, и нам пришлось в оставшиеся до отъезда два дня изготовить новый входной штуцер, надеясь на мастерство механиков А. И. Егорова и М. М. Петровского.

Но даже после отправки самой громоздкой части нашего оборудования мы с А. С. Водопьяновым оказались в конце сентября в Шереметьево с немалым багажом. В одной коробке была помещена тележка с черенковским счетчиком, а в другой – два фотоаппарата с громоздкими объективами к ним и различные фотопринадлежности.

На канале NА49 уже были установлены бетонные блоки, на которых мы с А. С. Водопьяновым смонтировали ферму и тележку с черенковским счетчиком. Затем в начале октября из Братиславы на автомашине прибыли наши коллеги Ян Ружчика и Петер Хохула с дополнительным громоздким оборудованием. Они доставили, прежде всего, специальную черенковскую камеру для исследования излучения в кристаллах и необходимые для нее фотоматериалы. Для этой камеры, разработанной прежде В. П. Зреловым, нами было предусмотрено специальное крепление. Они также привезли фотоаппарат с вмонтированным в него фотоумножителем и необходимую электронную систему питания и считывания сигналов. Это была явно неожиданная новинка для нас с А. С. Водопьяновым. Но, как вскоре выяснилось, эта методика представляла полную неизвестность и для самих авторов, которые ни разу даже не включали саму систему, не говоря уже о ее предварительных испытаниях. Правда, в первых же испытаниях фотоаппарата с фотоумножителем на пучке выяснилось благоприятное обстоятельство для использования этой методики: фотоумножитель действительно эффективно регистрировал фотоны оптического излучения, возникающего внутри черенковского счетчика. Но этого было совершенно недостаточно для получения однозначно интерпретируемых результатов при исследовании около порога возникновения черенковского излучения, что подтвердили непосредственные испытания, на которые, к сожалению, ушло немало времени.

Основное же осложнение со временем возникло из-за частичной непригодности системы юстировки черенковского счетчика. Пришлось заменить стеклянные фотопластинки на фотопленки, но в первый сеанс работы на ускорителе нам не удалось закончить юстировку счетчика на пучке. К тому же, получив только перед облучением форвакуумный насос, мы обнаружили заметное натекание воздуха. Проблему поиска течи в отсутствие течеискателя помог решить наш новый коллега из Братиславы Петер Хохула. Мы начали, естественно, с проверки входного штуцера, изготовленного в Дубне в последний день перед отъездом. Но проверка показала, что здесь все нормально. Когда же, наконец, причина течи выяснилась, мы с облегчением вздохнули, поскольку до начала первого сеанса на пучке оставалось всего полтора часа. А затем начались наши мытарства с юстировкой…

Трудности эти Я. Ружичке и А. С. Водопьянову удалось преодолеть только в следующем сеансе работы, тогда же были сделаны первые фотографии колец от черенковского излучения ионов свинца в воздухе. На этих фотографиях на фоне слабого свечения широких колец от рассеянных ионов были видны яркие узкие кольца от черенковского излучения основного пучка ионов свинца. Наиболее опытный из нас Я. Ружичка признался, что впервые видит столь узкие кольца от черенковского излучения, которые указывают на ничтожно малые отклонения от параллельности частиц основного пучка. Нам стало ясно, что все фотографии черенковского излучения, которые удастся получить на этом уникальном пучке, могут иметь большое научное значение для дальнейшего изучения свойств этого физического явления. Это ощущение помогло нам продержаться пять бессонных ночей, выделенных для нашего опыта коллаборацией эксперимента NA49.

Но трудности не кончались. Желая ускорить процесс, мы попросили увеличить интенсивность пучка. Дежурные выполнили нашу просьбу, включив дополнительную фокусировку, однако при этом пучок несколько сместился, и нам пришлось вновь заниматься сложной юстировкой. Убедившись, что дополнительная фокусировка ухудшает параметры пучка, мы решили вернуться к первоначальному режиму. В результате лишь четвертый и пятый сеансы были полностью посвящены измерениям с фотоумножителем и фотографированию колец от черенковского счетчика. Параллельно все время, начиная с третьего сеанса, Ян Ружичка фотографировал на широкую пленку в камере В. П. Зрелова черенковское излучение в различных кристаллах. Как узкие, так и широкие черно-белые пленки размером 18 х 24 см² он проявлял в фотокомнате, оборудованной для нас сотрудниками группы NА49 тут же на канале. А полученный в третьем сеансе негатив на широкой цветной пленке пришлось отправлять в Берн для проявления и получения цветных отпечатков. Этот снимок с цветным изображением асимметричного двухконусного черенковского излучения от пучка релятивистских ионов свинца при прохождении их вдоль бинормали двухосного кристалла тригицининсульфата был сдан нами вместе с краткой заметкой в редакцию международного журнала физики высоких энергий “CERN COURIER”. В декабрьском номере этого журнала за 1998 год вышла не только краткая заметка об открытии Черенкова 1934 года с нашей фотографией, но сама фотография в натуральную величину была вынесена редактором на обложку журнала.

В последний ночной сеанс нам дали пучок только с двух часов. До пяти утра наши словацкие коллеги тщетно пытались получить информацию о пороге излучения в гелии с помощью своего фотоумножителя. Только через три часа мы приступили к фотографическому методу детектирования, начав с давления гелия 800 mbar и постепенно уменьшая давление до нуля. На отдельной пленке делался только один снимок. В нашем последнем ночном сеансе мы с 5 до 11 часов успели получить только семь снимков на черно-белой пленке. Причем, последний кадр (при отсутствии газа в счетчике) экспонировался в 3,5 раза больше (было пропущено через систему около 36 миллионов частиц), но на нем никаких следов от переходного излучения не было обнаружено, также как и на предыдущих двух снимках при давлениях гелия 200 и 275 mbar.

В это же утро мы с А. С. Водопьяновым распрощались с нашим коллегой Яном Ружичкой, поскольку он уезжал в Братиславу, и попросили руководство эксперимента NА49 дать нам дополнительный сеанс в воскресенье. Утром следующего дня мы обещали полностью демонтировать установку.

В этот дополнительный дневной сеанс мы провели важнейшее измерение с дифракционной решеткой при близком к порогу излучения давлении гелия 473 mbar. В этой экспозиции через наш счетчик было пропущено 52,2 миллиона ионов свинца. При том же давлении гелия было проведено измерение кольца от излучения, которое своим расширенным размером уже свидетельствовало о возникновении в этой точке дополнительного источника излучения. Проведенное В. П. Зреловым на микрофотометре сканирование снимка, полученного с дифракционной решеткой, показало присутствие в спектре линий атомов гелия, что и является первым экспериментальным указанием о существовании нового явления, названного нами “световым барьером” в черенковском излучении.

Авторы эксперимента А. С. Водопьянов, В. П. Зрелов, Я. Ружичка, А. Сандовал, А. А. Тяпкин и П. Хохула намерены послать статью о первых полученных результатах в журнал “Краткие сообщения ОИЯИ”. В газете я от имени авторов хотел бы выразить всем сотрудникам, содействовавшим подготовке и выполнению данного исследования, глубокую благодарность.

Профессор А. ТЯПКИН