Ученым-физикам, занимающимся исследованиями элементарных частиц, приходится постоянно заниматься идентификацией частиц, которые рождаются в недрах ускорителей. В результатестолкновений разогнанных до огромных скоростей и энергий частиц, рождаются и известные, иэкзотические частицы, которые, в свою очередь, распадаются на множество других частиц. Это очень часто приводит к тому, что в данных, получаемых с высокочувствительных детекторов ускорителей, становится практически невозможно выделить сигналы наличия и распада частиц какого-либо определенного типа. И для решения данной проблемы исследователи из Технологического университета Чалмерса (Chalmers University of Technology) разработали и изготовили опытные образцы необычного оптического материала, использование свойств которого позволит производить идентификацию различных частиц с достаточно высокой точностью.
Для идентификации типа частицы ученые должны обнаружить конус излучаемого света, известного под термином излучения Черенкова, которое формируется тогда, когда частица движется внутри прозрачного материала быстрее света. Здесь следует обратить внимание на то, что ничто не может двигаться быстрее света лишь в вакууме. Но в некоторых материалах скорость света замедляется и, порой, весьма существенно. Следовательно, некоторые частицы получают возможность двигаться быстрее света, не нарушая при этом фундаментальных законов физики.
При движении частиц быстрее света возникает излучение Черенкова, явление, родственное акустической ударной волне, формирующейся вокруг объекта, двигающегося быстрее скорости звука. Значение угла конуса излучения Черенкова дает физикам информацию о скорости движения частицы, о ее массе, энергии и другим параметрам, которые позволяют идентифицировать частицу с достаточно высокой точностью. Однако у такого метода есть недостаток, который заключается в том, что все частицы, импульс энергии которых (m*v) равен или превышает некий предел, в обычных оптических материалах дают один и тот же угол конуса излучения Черенкова, и это не позволяет отличить друг от друга высокоэнергетические частицы различных типов.
А недавно, благодаря работе Филиппа Тассина (Philippe Tassin) и его коллег из Свободного университета Брюсселя (Free University of Brussels), в распоряжении ученых-физиков появился новый оптический материал, внутри которого конус излучения Черенкова получил гораздо большую свободу, благодаря чему высокоэнергетические частицы различных типов воспроизводят конусы света, имеющие различные углы. "Теперь мы получили возможность эффективно разделять и идентифицировать частицы даже с самым высоким значением импульса энергии" - рассказывает Филипп Тассин, - "Я надеюсь, что благодаря этому в области физики элементарных частиц будет сделано немало очень важных открытий".
В основу создания нового материала легли методы так называемой трансформационной оптики. Это достаточно новая и очень плодотворная область физики, в которой комбинируются основные постулаты общей теории относительности Альберта Эйнштейна с ее описанием искривлений пространства-времени с законами традиционной оптики. Тщательно рассчитанные показатели коэффициентов преломления сложного материала заставляют свет вести себя отлично от того, как он ведет себя в обычных условиях. Ученые из университета Чалмерса описывают этот материал, как некий оптический растянутый кристалл и искажающий свет сразу в двух измерениях. И за счет такой неравномерности оптических характеристик конусы излучения Черенкова от различных частиц имеют различные углы.
"До последнего времени все достижения в области трансформационной оптики касались лишь только путей распространения лучей света" - рассказывает Филипп Тассин, - "Теперь мы продемонстрировали то, что мы можем влиять и на процессы излучения света, и благодаря этой возможности мы решили проблему изменения угла излучения Черенкова для высокоэнергетических частиц. Но это всего лишь один из примеров возможностей трансформационной оптики, благодаря ней мы уже сейчас может создавать материалы, которые могут эффективно фокусировать или поглощать лучи света, что будет крайне полезно для создания солнечных батарей. Или мы можем создать такие материалы, при помощи которые будет можно даже моделировать некоторые космологические явления, такие, как черные дыры".
Первоисточник