إشعاع تشيرينكوف

بينما تُعتبر سرعة الضوء في الفراغ ثابتةً كونية ( c = 299,792,458 م/ث )، قد تكون السرعة في المادة أقل بكثير، إذ يُلاحظ تباطؤها بفعل الوسط المحيط. على سبيل المثال، تبلغ سرعتها في الماء حوالي 0.75 من سرعة الضوء في الفراغ . يمكن للمادة أن تتسارع إلى سرعة أعلى من هذه (وإن كانت لا تزال أقل من سرعة الضوء في الفراغ) خلال التفاعلات النووية وفي مسرعات الجسيمات . ينتج إشعاع تشيرينكوف عندما يتحرك جسيم مشحون، غالباً ما يكون إلكتروناً ، عبر وسط عازل بسرعة أكبر من سرعة الضوء في ذلك الوسط.

يمكن وصف هذا التأثير بشكل بديهي على النحو التالي. من المعروف في الفيزياء الكلاسيكية أن الجسيمات المشحونة المتسارعة تُصدر موجات كهرومغناطيسية ، وبموجب مبدأ هيغنز، تُشكّل هذه الموجات جبهات موجية كروية تنتشر بسرعة طور ذلك الوسط (أي سرعة الضوء في ذلك الوسط).${\displaystyle c/n}$، ل${\displaystyle n}$( معامل الانكسار ). عندما يمر أي جسيم مشحون عبر وسط ما، تستقطب جزيئات هذا الوسط حوله استجابةً لذلك. يُثير الجسيم المشحون جزيئات الوسط القابل للاستقطاب، وعند عودتها إلى حالتها الأرضية ، تُعيد الجزيئات إطلاق الطاقة التي اكتسبتها للإثارة على شكل فوتونات. تُشكّل هذه الفوتونات جبهات موجية كروية يمكن رؤيتها، منبثقة من الجسيم المتحرك.${\displaystyle v_{\text{p}}<c/n}$أي إذا كانت سرعة الجسيم المشحون أقل من سرعة الضوء في الوسط، فإن مجال الاستقطاب المتشكل حول الجسيم المتحرك يكون عادةً متناظرًا. قد تتجمع جبهات الموجة المنبعثة المقابلة، لكنها لا تتطابق أو تتقاطع، وبالتالي لا توجد تأثيرات تداخل يجب أخذها في الاعتبار. في الحالة المعاكسة، أي${\displaystyle v_{\text{p}}>c/n}$يكون مجال الاستقطاب غير متناظر على طول اتجاه حركة الجسيم، إذ لا تملك جسيمات الوسط الوقت الكافي للعودة إلى حالاتها العشوائية "الطبيعية". ينتج عن ذلك تداخل في أشكال الموجات (كما في الرسوم المتحركة)، ويؤدي التداخل البنّاء إلى ظهور إشارة ضوئية مخروطية الشكل بزاوية مميزة: ضوء تشيرينكوف.

من الأمثلة الشائعة على ذلك دويّ اختراق حاجز الصوت الناتج عن طائرة أسرع من الصوت . تنتقل الموجات الصوتية المتولدة من الطائرة بسرعة الصوت، وهي أبطأ من سرعة الطائرة، ولا يمكنها الانتشار للأمام، بل تُشكّل جبهة صدمة مخروطية . وبالمثل، يمكن لجزيء مشحون أن يُولّد "موجة صدمة" من الضوء المرئي أثناء مروره عبر مادة عازلة.

السرعة التي يجب تجاوزها هي سرعة طور الضوء، وليست سرعة مجموعة الضوء. يمكن تغيير سرعة الطور بشكل كبير باستخدام وسط دوري، وفي هذه الحالة يمكن حتى الحصول على إشعاع تشيرينكوف دون حد أدنى لسرعة الجسيمات، وهي ظاهرة تُعرف بتأثير سميث-برسيل . في وسط دوري أكثر تعقيدًا، مثل البلورة الضوئية ، يمكن أيضًا الحصول على مجموعة متنوعة من تأثيرات تشيرينكوف الشاذة الأخرى، مثل الإشعاع في الاتجاه العكسي (انظر أدناه)، بينما يشكل إشعاع تشيرينكوف العادي زاوية حادة مع سرعة الجسيمات. ^{[ 13 ]}

في عملهما الأصلي حول الأسس النظرية لإشعاع تشيرينكوف، كتب تام وفرانك: "من الواضح أنه لا يمكن تفسير هذا الإشعاع الفريد بأي آلية شائعة مثل تفاعل الإلكترون السريع مع ذرة منفردة أو تشتت إشعاعي للإلكترونات على نوى الذرات. من ناحية أخرى، يمكن تفسير هذه الظاهرة نوعيًا وكميًا إذا أخذنا في الاعتبار حقيقة أن الإلكترون المتحرك في وسط ما يشع ضوءًا حتى لو كان يتحرك بشكل منتظم، شريطة أن تكون سرعته أكبر من سرعة الضوء في ذلك الوسط." ^{[ 14 ]}

في الشكل الهندسي، يتحرك الجسيم (السهم الأحمر) في وسط بسرعة${\displaystyle v_{\text{p}}}$بحيث $${\displaystyle {\frac {c}{n}}<v_{\text{p}}<c}$$،

أين${\displaystyle c}$هي سرعة الضوء في الفراغ ، و${\displaystyle n}$يمثل معامل انكسار الوسط. إذا كان الوسط ماءً، فإن الشرط هو${\displaystyle 0.75c<v_{\text{p}<c}$، منذ${\displaystyle n\approx 1.33}$للماء عند درجة حرارة 20  درجة مئوية.

نُعرّف النسبة بين سرعة الجسيم وسرعة الضوء على النحو التالي: $${\displaystyle \beta ={\frac {v_{\text{p}}}{c}}.}$$تنتقل موجات الضوء المنبعثة (المشار إليها بالأسهم الزرقاء) بسرعة $${\displaystyle v_{\text{em}}={\frac {c}{n}}.}$$

يمثل الركن الأيسر من المثلث موقع الجسيم فائق السرعة عند لحظة ابتدائية ( t = 0 ). أما الركن الأيمن من المثلث فيمثل موقع الجسيم عند زمن لاحق t. خلال الزمن t ، يقطع الجسيم المسافة $${\displaystyle x_{\text{p}}=v_{\text{p}}t=\beta \,ct}$$ بينما تنحصر الموجات الكهرومغناطيسية المنبعثة في قطع المسافة $${\displaystyle x_{\text{em}}=v_{\text{em}}t={\frac {c}{n}}t.}$$

لذا فإن زاوية الانبعاث تؤدي إلى $${\displaystyle \cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}}$$

يمكن لإشعاع تشيرينكوف أن ينتشر في أي اتجاه باستخدام مواد فائقة أحادية البعد مصممة هندسيًا بشكل مناسب . ^{[ 15 ]} تم تصميم هذه المواد لإدخال تدرج في تأخير الطور على طول مسار الجسيم سريع الحركة (${\displaystyle d\phi /dx}$)، عكس أو توجيه انبعاث تشيرينكوف بزوايا عشوائية وفقًا للعلاقة المعممة: $${\displaystyle \cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}+{\frac {n}{k_{0}}}\cdot {\frac {d\phi }{dx}}}$$

لاحظ أنه بما أن هذه النسبة مستقلة عن الزمن، فيمكن اختيار أي أزمنة والحصول على مثلثات متشابهة . تبقى الزاوية ثابتة، مما يعني أن الموجات اللاحقة المتولدة بين الزمن الابتدائي t = 0 والزمن النهائي t ستشكل مثلثات متشابهة تتطابق رؤوسها اليمنى مع المثلث الموضح.

يمكن ملاحظة تأثير تشيرينكوف العكسي باستخدام مواد تُسمى المواد الفائقة ذات معامل الانكسار السالب (وهي مواد ذات بنية مجهرية دون طول الموجة، مما يمنحها خاصية "متوسطة" فعالة تختلف اختلافًا كبيرًا عن خصائص المواد المكونة لها، حيث تتميز في هذه الحالة بنفاذية ونفاذية سالبتين ) . وهذا يعني أنه عندما يمر جسيم مشحون (عادةً إلكترونات) عبر وسط ما بسرعة أكبر من سرعة طور الضوء في ذلك الوسط، فإن هذا الجسيم يُصدر إشعاعًا متخلفًا عن مساره عبر الوسط بدلاً من الإشعاع الذي ينطلق أمامه (كما هو الحال في المواد العادية ذات النفاذية والنفاذية الموجبة). ^{[ 16 ]} ويمكن أيضًا الحصول على إشعاع تشيرينكوف ذي المخروط العكسي في أوساط دورية غير فائقة، حيث تكون البنية الدورية على نفس مقياس الطول الموجي، وبالتالي لا يمكن اعتبارها مادة فائقة متجانسة فعليًا. ^{[ 13 ]}

يمكن أن تحدث ظاهرة تشيرينكوف في الفراغ. ^{[ 17 ]} في بنية الموجة البطيئة، كما هو الحال في أنبوب الموجة المتنقلة (TWT)، تنخفض سرعة الطور ، ويمكن أن تتجاوز سرعة الجسيمات المشحونة سرعة الطور مع بقائها أقل من${\displaystyle c}$في مثل هذا النظام، يمكن استنتاج هذا التأثير من قانون حفظ الطاقة والزخم، حيث يجب أن يكون زخم الفوتون${\displaystyle p=\hbar \beta }$(${\displaystyle \beta }$( ثابت الطور ) ^{[ 18 ]} بدلاً من علاقة دي برولي${\displaystyle p=\hbar k}$يُستخدم إشعاع تشيرينكوف الفراغي (VCR) لتوليد موجات ميكروية عالية الطاقة. ^{[ 19 ]}

يمكن توليد إشعاع له نفس خصائص إشعاع تشيرينكوف النموذجي بواسطة هياكل من التيار الكهربائي تنتقل بسرعة تفوق سرعة الضوء. ^{[ 20 ]} من خلال التحكم في توزيعات الكثافة في أجهزة تسريع البلازما ، يتم إنشاء هياكل تصل شحنتها إلى نانوكولوم، وقد تنتقل بسرعة تفوق سرعة الضوء وتُصدر صدمات ضوئية بزاوية تشيرينكوف. لا تزال الإلكترونات دون سرعة الضوء، وبالتالي فإن الإلكترونات التي تُكوّن الهيكل عند الزمن t = t₀ تختلف عن الإلكترونات الموجودة في الهيكل عند _الزمن t > t₀ _.

يُستخدم إشعاع تشيرينكوف على نطاق واسع لتسهيل الكشف عن كميات صغيرة وتركيزات منخفضة من الجزيئات الحيوية . ^{[ 23 ]} يمكن إدخال الذرات المشعة مثل الفوسفور-32 بسهولة في الجزيئات الحيوية عن طريق الوسائل الإنزيمية والاصطناعية، وبالتالي يمكن الكشف عنها بسهولة بكميات صغيرة لغرض توضيح المسارات البيولوجية وتوصيف تفاعل الجزيئات البيولوجية مثل ثوابت التقارب ومعدلات التفكك.

في الآونة الأخيرة، استُخدم ضوء تشيرينكوف لتصوير المواد داخل الجسم. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} وقد أدت هذه الاكتشافات إلى اهتمام كبير بفكرة استخدام إشارة هذا الضوء لتحديد كمية الإشعاع في الجسم و/أو الكشف عنه، سواءً من مصادر داخلية كالمستحضرات الصيدلانية الإشعاعية المحقونة ، أو من العلاج الإشعاعي الخارجي في طب الأورام. تتميز النظائر المشعة، مثل باعثات البوزيترون ^18F و 13 N ، أو باعثات بيتا ^32P و ⁹⁰ Y ، بانبعاث تشيرينكوف قابل للقياس. ^{[ 27 ] كما} تم تصوير النظائر ^18F و ¹³¹ I في البشر لإثبات قيمتها التشخيصية. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

أظهرت الدراسات أن العلاج الإشعاعي الخارجي يُحدث كمية كبيرة من ضوء تشيرينكوف في الأنسجة المعالجة، وذلك بفضل حزم الإلكترونات أو الفوتونات ذات الطاقة التي تتراوح بين 6 و18 ميغا فولت. وتنتج الإلكترونات الثانوية الناتجة عن هذه الأشعة السينية عالية الطاقة انبعاث ضوء تشيرينكوف، حيث يمكن تصوير الإشارة المكتشفة على سطحي دخول وخروج الإشعاع من النسيج. ^{[ 30 ]} يُعد ضوء تشيرينكوف المنبعث من نسيج المريض أثناء العلاج الإشعاعي إشارة منخفضة المستوى للغاية، ولكن يمكن رصدها بواسطة كاميرات مصممة خصيصًا تُزامن عملية التقاطها مع نبضات المُسرِّع الخطي. ^{[ 31 ]} وتُتيح رؤية هذه الإشارة رؤية شكل حزمة الإشعاع لحظة سقوطها على النسيج في الوقت الفعلي. ^{[ 32 ]}

يُستخدم إشعاع تشيرينكوف للكشف عن الجسيمات المشحونة عالية الطاقة. في مفاعلات الأحواض المفتوحة ، تنطلق جسيمات بيتا (إلكترونات عالية الطاقة) مع تحلل نواتج الانشطار . ويستمر التوهج بعد توقف التفاعل المتسلسل، يخفت تدريجيًا مع تحلل النواتج الأقصر عمرًا. وبالمثل، يمكن لإشعاع تشيرينكوف تحديد النشاط الإشعاعي المتبقي في قضبان الوقود المستهلك. تُستخدم هذه الظاهرة للتحقق من وجود الوقود النووي المستهلك في أحواض الوقود المستهلك لأغراض الضمانات النووية. ^{[ 33 ]}

عندما يتفاعل فوتون غاما عالي الطاقة ( TeV ) أو شعاع كوني مع الغلاف الجوي للأرض ، فإنه قد يُنتج زوجًا من الإلكترونات والبوزيترونات بسرعات هائلة. يُستخدم إشعاع تشيرينكوف المنبعث في الغلاف الجوي من هذه الجسيمات المشحونة لتحديد اتجاه وطاقة الشعاع الكوني أو أشعة غاما، وهو ما يُستخدم على سبيل المثال في تقنية تصوير تشيرينكوف الجوي ( IACT )، من خلال تجارب مثل VERITAS و HESS و MAGIC . كما يُستخدم إشعاع تشيرينكوف المنبعث في خزانات مملوءة بالماء من تلك الجسيمات المشحونة التي تصل إلى الأرض للغرض نفسه في تجربة وابل الهواء المكثف HAWC ، ومرصد بيير أوجيه ، ومشاريع أخرى. وتُستخدم أساليب مماثلة في كاشفات النيوترينو الضخمة جدًا ، مثل سوبر كاميوكاندي ، ومرصد سودبري للنيوترينو (SNO)، وآيس كيوب . وقد تم تشغيل مشاريع أخرى في الماضي باستخدام تقنيات مماثلة، مثل STACEE ، وهو برج شمسي سابق تم تجديده ليعمل كمرصد تشيرينكوف غير تصويري، والذي كان يقع في نيو مكسيكو .

تعتبر مراصد الفيزياء الفلكية التي تستخدم تقنية تشيرينكوف لقياس زخات الهواء أساسية لتحديد خصائص الأجسام الفلكية التي تنبعث منها أشعة جاما عالية الطاقة للغاية، مثل بقايا المستعرات العظمى والبلازارات .

يُستخدم إشعاع تشيرينكوف بشكل شائع في فيزياء الجسيمات التجريبية لتحديد هوية الجسيمات. يمكن قياس سرعة جسيم أولي مشحون كهربائيًا (أو تحديد حدودها) من خلال خصائص ضوء تشيرينكوف الذي ينبعث منه في وسط معين. إذا تم قياس زخم الجسيم بشكل مستقل، يمكن حساب كتلته من خلال زخمه وسرعته (انظر الزخم الرباعي )، وبالتالي تحديد هوية الجسيم.

أبسط أنواع أجهزة تحديد الجسيمات القائمة على تقنية إشعاع تشيرينكوف هو عداد العتبة، الذي يحدد ما إذا كانت سرعة الجسيم المشحون أقل أو أعلى من قيمة معينة (${\displaystyle v_{0}=c/n}$، أين${\displaystyle c}$هي سرعة الضوء ، و${\displaystyle n}$يمكن تحديد معامل انكسار الوسط من خلال النظر فيما إذا كان هذا الجسيم يُصدر ضوء تشيرينكوف في وسط معين. بمعرفة زخم الجسيم، يمكن فصل الجسيمات الأخف من عتبة معينة عن تلك الأثقل منها.

يُعدّ كاشف تشيرينكوف الحلقي التصويري ( RICH)، الذي طُوّر في ثمانينيات القرن الماضي، أكثر أنواع الكواشف تطورًا . في هذا الكاشف، يتكوّن مخروط من ضوء تشيرينكوف عندما تعبر جسيمات مشحونة عالية السرعة وسطًا مناسبًا، يُسمى غالبًا بالمشع. يُكشف عن هذا المخروط الضوئي بواسطة كاشف فوتوني مستوٍ حساس للموقع، مما يسمح بإعادة بناء حلقة أو قرص، نصف قطره مقياس لزاوية انبعاث تشيرينكوف. تُستخدم كواشف التركيز وكواشف التركيز التقاربي. في كاشف RICH المُركّز، تُجمع الفوتونات بواسطة مرآة كروية وتُركّز على كاشف الفوتونات الموجود في المستوى البؤري. والنتيجة هي دائرة نصف قطرها مستقل عن نقطة الانبعاث على طول مسار الجسيم. يُناسب هذا الأسلوب المشعات ذات معامل الانكسار المنخفض، أي الغازات، نظرًا لطول المشع الأكبر اللازم لتوليد عدد كافٍ من الفوتونات. في تصميم التركيز التقاربي الأكثر إحكامًا، يُصدر حجمٌ رقيقٌ من المُشعّ مخروطًا من ضوء تشيرينكوف يقطع مسافةً صغيرةً - فجوة التقارب - ويتم رصده على مستوى كاشف الفوتونات. الصورة عبارة عن حلقة ضوئية يُحدد نصف قطرها بزاوية انبعاث تشيرينكوف وفجوة التقارب. ويُحدد سُمك الحلقة بسُمك المُشعّ. ومن أمثلة كاشف RICH ذي فجوة التقارب كاشف تحديد الجسيمات عالي الزخم (HMPID)، ^{[ 34 ]} وهو كاشف قيد الإنشاء حاليًا لتجربة ALICE ( تجربة مصادم الأيونات الكبير )، ^{[ 35 ]} وهي إحدى التجارب الست في مصادم الهادرونات الكبير (LHC ) في CERN .