Звучание электронного луча поможет детектировать нейтрино

Высокоэнергетическое нейтрино может вызвать мощный электромагнитный ливень в толще океана, акустический щелчок от которого зарегистрируют гидрофоны (изображение с сайта saund.stanford.edu)

Российские физики из ВНИИФТРИ, НИИЯФ МГУ и ИТЭФ изучили акустические эффекты при вхождении сгустка электронов в вещество. Интерес к ним связан с возможностью акустического детектирования космических нейтрино сверхвысоких энергий.

Нейтрино — самые трудноуловимые из известных элементарных частиц. Детекторы нейтрино (их часто называют нейтринными телескопами) представляют собой большие резервуары воды (или льда, как, например, IceCube в Антарктиде), внутри которых установлены многочисленные «электронные глаза» — фотоумножители. Эти детекторы расположены так глубоко под землей (под водой, под антарктическими льдами), что никакие другие частицы, кроме нейтрино, их не могут достичь.

Подавляющее большинство нейтрино просто проходят детектор насквозь, не оставляя следа, и лишь крайне редко они всё же «наталкиваются» на вещество, превращаясь в электроны. Если исходное нейтрино обладало большой энергией, то этот электрон порождает электромагнитный ливень — поток электронов и позитронов меньшей энергии. При движении сквозь воду они, за счет черенковского излучения, дают вспышку света, которую и регистрируют фотоумножители. После обработки данных со всех фотоумножителей можно восстановить полную яркость вспышки, отсюда полную энергию ливня, и значит, энергию первоначального нейтрино.

Такая методика «отлова» нейтрино уже давно отлажена и хорошо себя зарекомендовала, однако у нее есть один важный недостаток (как и у большинства экспериментов по регистрации элементарных частиц): в ней используется очень дорогостоящая аппаратура. Поэтому интересно было бы найти иной, более простой и более дешевый способ регистрировать нейтрино и оценивать их характеристики.

Некоторое время назад была высказана идея, что помочь в этом может... звучание пучков элементарных частиц при их движении сквозь вещество. Эта идея сразу же обрела многочисленных сторонников (см. библиографию по акустическому детектированию нейтрино, диссертацию по этой теме и страницы проектов SAUND и ACORNE, в которых будет реализована эта идея).

Действительно, появившийся вдруг в воде высокоэнергетический электрон и порожденный им электромагнитный ливень не только приводят к ионизации и излучению, но и наносят по воде резкий точечный «удар изнутри». Как было предсказано еще полвека назад советским физиком Гургеном Аскарьяном (Gurgen_Askaryan), этот удар вызывает краткий звук в килогерцевом диапазоне, а значит, его можно зарегистрировать обычными гидрофонами, что и было осуществлено пару десятилетий спустя (правда, в этих экспериментах использовались протонные пучки).

Для использования этого эффекта в нейтринных телескопах одного лишь знания, что «пролетело нейтрино», мало. Желательно, например, выяснить, как «звучание» электронов зависит от энергии нейтрино и направления его прилета. Иными словами, требуется провести систематическое изучение акустических эффектов при прохождении электронных сгустков сквозь воду.

Исследователи из НИИ ядерной физики им. Д. В. Скобельцына (НИИЯФ МГУ), Института теоретической и экспериментальной физики им. А. И. Алиханова (ИТЭФ) и ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ), что в подмосковном поселке Менделеево, взялись за эту задачу. Их первые результаты описаны в недавнем е-принте physics/0610241. Физики провели простой эксперимент: бомбардировали камеру с водой электронными сгустками и изучали распространение возникавших в камере звуковых волн. Электронные сгустки содержали примерно по 10¹¹ частиц с энергией 50 МэВ на частицу и моделировали собой хорошо развитый электромагнитный ливень, который мог бы возникнуть от нейтрино сверхвысокой энергии, приходящих к нам из глубокого космоса.

Выяснилось, что электронный луч, попадая в воду, производит звук — а точнее, щелчок — в два этапа: сразу же в месте входа в среду и затем вдоль своей траектории. В результате звуковые колебания представляют собой наложение полусферической волны, идущей от стенки в месте входа пучка, и цилиндрической волны, расходящейся от канала, по которому он прошел. Пользуясь аналогией из электродинамики, можно сказать, что щелчок удалось разложить на две составляющих: переходное акустическое излучение при входе из воздуха в воду и собственное излучение электронного сгустка при его движении в воде. Авторы отмечают, что наложение этих звуковых волн приводит к интересным акустическим интерференционным эффектам, и планируют изучить их подробнее.

Следующим шагом после отработки методики должна стать проверка того, как «электронный щелчок» меняется при изменении энергии и количества электронов. Если однозначная зависимость между этими величинами будет доказана, то физики, работающие на нейтринных телескопах, получат в распоряжение новую, существенно более дешевую методику изучения нейтрино. Впрочем, следует помнить, что помочь она сможет лишь при регистрации нейтрино очень высокой энергии.

См. также:
1) Физика нейтрино — коллекция образовательных материалов.
2) Первое экспериментальное наблюдение эффекта Аскаряна — популярная заметка об обнаружении другого эффекта, предсказанного Гургеном Аскарьяном.

Игорь Иванов