22. Čerenkovovo záření
Částice se nemohou nikdy pohybovat rychlostí vyšší, než je rychlost světla ve vakuu, tj. přibližně 300 000 km/s. V prostředí se ale světlo šíří nižší rychlostí. Například ve vodě světlo letí rychlostí 226 000 km/s a v diamantu pouze 120 000 km/s. Při pomalé rychlosti světla dochází k velkému lomu paprsků, a právě proto nám diamant připadá tak krásný. V prostředí složeném z atomů, ať už jde o diamant či vodu nebo jinou látku, se tedy může nabitá částice pohybovat rychleji než světlo. Je například možné, aby se částice ve vodě pohybovala rychlostí 270 000 km/s, což je méně, než je rychlost světla ve vakuu, ale více, než je rychlost světla ve vodě.
Při takovém pohybu dojde k zajímavému jevu. Nabitá částice kolem sebe šíří elektromagnetické vlny. Pokud se ale pohybuje rychleji než světlo, nedostanou se tyto elektromagnetické vlny nikdy před částici. Výsledkem je, že jsou jen za částicí, kde vytvoří charakteristický kužel elektromagnetických vln. Kužel záření za rychle se pohybující nabitou částicí se nazývá Čerenkovovo záření. Bylo pojmenováno po ruském fyzikovi Pavlu Čerenkovovi, který ho jako první popsal. Teoretické vysvětlení jevu podali v roce 1937 sovětští vědci Ilja Frank a Igor Tamm. Celá trojice získala Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1958. Obdobný jev známe i u zvukových vln. Pokud letí letadlo nadzvukovou rychlostí, vzniká za ním kužel zvukových vln. Pozorovatel před letadlem jeho zvuk nikdy neuslyší.
Čerenkovovo záření se dnes využívá v celé řadě aplikací, především v detektorech nabitých částic. V kosmických detektorech se jako médium zpravidla používají různé gely nebo aerogely. V pozemských detektorech jde nejčastěji o obyčejnou vodu. Na hranici oblasti bývají fotonásobiče, které detekují Čerenkovovo záření za rychlou nabitou částicí, která do média vnikla. Ze směru kužele lze určit, odkud částice přilétla a z vrcholového úhlu kužele je možné dopočítat rychlost a energii částice.
Uveďme několik příkladů takových zařízení. V roce 2011 byl namontován při předposledním letu raketoplánu na rameno Mezinárodní vesmírné stanice detektor AMS-02. Jde o obří zařízení pro detekci kosmického záření o hmotnosti téměř 7 tun, které bylo navrženo a vyrobeno v Evropském středisku jaderného výzkumu CERN. Jde vlastně o zmenšeninu detektorů využívaných na největším urychlovači světa LHC. Součástí přístroje je také Čerenkovův detektor pro detekci nabitých částic, které k nám přicházejí z hlubin vesmíru.
Z vesmíru k nám přilétají částice kosmického záření, jejichž původ je dosud obestřen tajemstvím, a interagují s horními vrstvami atmosféry. Vznikají zde další částice, ty opět interagují s atmosférou a celý proces lavinovitě vytváří spršku sekundárních částic. Nejenergetičtější částice, které k nám dolétnou, mají energii až sto milionů teraelektronvoltů a sprška z nich zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek kilometrů čtverečních. Jedním z nejúžasnějších projektů současnosti je detektor Pierre Auger pojmenovaný po objeviteli sekundárních spršek kosmického záření. Je postavený v argentinské pampě na rozloze 3000 km2 a skládá se z 1600 Čerenkovových detektorů. Do nich vlétne nabitá částice s nadsvětelnou rychlostí a ve vodním tanku vytvoří charakteristický Čerenkovův kužel. Na stavbě tohoto gigantického detektoru, který je plně funkční od roku 2007, se podílela i Česká republika.
Největším Čerenkovovým detektorem světa je ale celá zemská atmosféra. Z jader aktivních galaxií nebo zbytků supernov k nám přicházejí fotony s energií kolem 25 GeV. Při interakci s atmosférou vznikne sprška elektronů, které se atmosférou šíří nadsvětelnou rychlostí. Za každým elektronem vznikají namodralé záblesky Čerenkovova záření. Na Kanárském ostrově La Palma byl v roce 2009 uveden do provozu prazvláštní dalekohled Magic II. Jeho úkolem je sledovat Čerenkovovo záření těchto rychlých elektronů. Jsou v něm uchovány důležité informace o původním objektu, který vyslal primární foton, ten způsobil spršku sekundárních částic v atmosféře, a ty vytvořily kužele Čerenkovova záření. Dalekohled MAGIC-II pracuje společně se svým předchůdcem MAGIC-I. Oba přístroje mají průměr zrcadel 17 m a jsou vyrobeny z čtvercových segmentů o velikosti strany 50 cm. Čerenkovovo záření je soustředěno na soustavu 576 fotonásobičů.
Čerenkovovy detektory jsou neodmyslitelnou součástí každého urychlovače částic. Využívají se i pro chytání neutrin, která při interakci s vodou vyšlou rychlý elektron nebo mion táhnoucí za sebou kužel Čerenkovova záření. Největší detektory neutrin se proto staví pod mořem, kde jsou na strunách zavěšeny stovky fotonásobičů chytajících mysteriózní svit Čerenkovových kuželů. K největším patří detektor Antares postavený ve Středozemním moři a Ledová kostka neboli Icecube v antarktickém ledu. Detektor Icecube chytá Čerenkovův svit v oblasti antarktického ledu o objemu 1 km3! Struny s fotonásobiči byly zavěšeny do vrtů v ledu a poté zality vodou. Jednotlivé vrty sahají do hloubky přes dva kilometry. Těmto detektorům často říkáme observatoře. Vůbec už nepřipomínají klasické dalekohledy, na které jsme si zvykli po staletí. Jde o observatoře nového typu, které nám přinášejí zásadní informace o hlubinách vesmíru, elementárních částicích a stavbě hmoty.