Физики предложили модификацию черенковского детектора, увеличивающую его чувствительность даже для высоких показателей преломления сред, в которых распространяются релятивистские частицы. В основе нового детектора лежит широкополосный угловой фильтр, состоящий из набора одномерных фотонных кристаллов с различным периодом. Исследование опубликовано в Nature Communications.
Излучение Черенкова (или Вавилова — Черенкова) возникает в тот момент, когда заряженная релятивистская частица распространяется со скоростью, превышающей фазовую скорость света среды, в которой она движется. Проще говоря, скорость частицы должна быть больше, чем c, деленное на показатель преломления. За открытие этого излучения Черенковым и за его объяснение Таммом и Франком была присуждена Нобелевская премия по физике за 1958 год.
Это открытие позволило создать черенковские детекторы, которые активно применяются в физике высоких энергий и астрофизике. Суть их работы заключается в измерении угла, под которым выходит излучение. Косинус этого угла равен отношению фазовой скорости света к скорости частицы. Следовательно, чем ниже показатель преломления, тем ниже порог по скорости частиц, которые детектор может увидеть.
Однако есть и обратная сторона: чем выше показатель преломления, тем сложнее различать объекты с близкими скоростями. Эта проблема особенно актуальна для очень быстрых частиц, для которых приходится строить огромные газовые камеры с близкими к единице показателями преломления. Это, в свою очередь, приводит к низким интенсивностям самого излучения. На сегодняшний день предложено несколько идей, как улучшить характеристики черенковских детекторов с помощью разнообразных элементов нанофотоники и метаматериалов, но все преимущества, достигаемые таким образом, реализуются только в очень узких диапазонах частот.
Следующим шагом в этом направлении стала работа команды физиков из шести стран при участии Джона Джоаннопулоса (John Joannopoulos) из Массачусетского технологического института. Они предложили новый способ детектирования черенковского излучения, добавив на его пути широкополосный угловой фильтр, изготовленный из последовательности одномерных фотонных кристаллов, с одинаковыми компонентами, но переменным периодом и числом слоев. Идея метода основана хорошо известном оптическом эффекте, который заключается в том, что при некотором угле падения света на границу раздела двух диэлектриков, называемом углом Брюстера, преломленный свет оказывается частично поляризованным. Предложенный авторами фильтр пропускает поляризованный свет, распространяющийся только в узком диапазоне углов. При этом чувствительностью фильтра можно легко управлять в широком диапазоне частот заменой компонентов фотонных кристаллов.
В варианте, который описан в работе, частицы движутся параллельно плоскости фильтра, испуская черенковское излучение в конус, угол которого связан с их скоростью. Ниже плоскости фильтра расположена плоскость детектирования. Из всего конуса фильтр отсеивает небольшой участок, который характеризуется углом между тангенциальной компонентой волнового вектора, лежащей в плоскости детектирования, и скоростью частицы. В результате по ходу движения частицы на плоскости детектирования остается два параллельных следа, расстояние между которыми связано с ее скоростью через величину, называемую псевдопоказатель преломления. Он играет такую же роль, как и обычный показатель преломления в традиционных детекторах, однако он очень гибко зависит от диэлектрических проницаемостей компонент фильтра. Например, если изготавливать фотонные кристаллы из слоев SiO2 (ε = 2,18) и Al2O3 (ε = 3,07), то псевдопоказатель преломления будет равен 1,13, в то время как для ПММА (ε = 2,1904) и полимера THV 221AZ (ε = 1,8578) он составляет 1,0026.
Физики провели вычисления для сравнения чувствительности своего детектора, который они назвали детектором Брюстера — Черенкова, с традиционными кольцевыми детекторами. Они моделировали излучение от электрона, пиона, каона и протона, двигающихся с различными импульсами, и убедились, что подход, основанный на использовании псевдопоказателя преломления, действительно дает преимущества.
Авторы также обратили внимание на то, что редуцирование волнового фронта с помощью фильтра может снижать число фотонов, долетающих до детектора. Их вычисления показали, что для ситуации, когда на кольцевой детектор прилетает 20 фотонов от частицы с импульсом, равным двум гигаэлектронвольт на скорость света, для детектора Брюстера — Черенкова это число разнится в зависимости от типов частиц: 5 для электронов, 7 для каонов и 26 для протонов.
Физики отмечают, что еще одним важным преимуществом предложенного ими детектора стало снятие сильных ограничений на показатель преломление вещества, в котором летят частицы. Сохранение прежней чувствительности в сочетании с высоким показателем преломления позволит увеличить число регистрируемых фотонов, а также повысить порог обнаружения релятивистских частиц по скорости.
Фотонные кристаллы находят применение в самых разных областях физики. Ранее мы писали, как с их помощью создали источник сверхпланковского излучения и даже предложили влиять на периодический закон химических элементов (об этом мы рассказывали в блоге).
Марат Хамадеев