アメリカ/アイダホ国立 こくりつ 研究所 けんきゅうじょ 内 ない にある新型 しんがた 実験 じっけん 炉 ろ で観測 かんそく されたチェレンコフ放射 ほうしゃ の例 れい
チェレンコフ放射 ほうしゃ (チェレンコフほうしゃ、英 えい : Čerenkov radiation )とは、荷電 かでん 粒子 りゅうし が空気 くうき や水 みず などの媒質 ばいしつ 中 ちゅう を運動 うんどう する時 とき 、荷電 かでん 粒子 りゅうし の速度 そくど がその媒質 ばいしつ 中 ちゅう を進 すす む光 ひかり 速度 そくど よりも速 はや い場合 ばあい に光 ひかり が放射 ほうしゃ される現象 げんしょう 。チェレンコフ効果 こうか ともいう。このとき放射 ほうしゃ される光 ひかり をチェレンコフ光 こう 、またはチェレンコフ放射光 ほうしゃこう という。
この現象 げんしょう は1934年 ねん にパーヴェル・チェレンコフ によって発見 はっけん され、チェレンコフ放射 ほうしゃ と名付 なづ けられた。その後 ご 、イリヤ・フランク とイゴール・タム により、発生 はっせい 原理 げんり が解明 かいめい された。これらの功績 こうせき により、この3名 めい は1958年 ねん のノーベル物理 ぶつり 学 がく 賞 しょう を受 う けた[ 1] 。
相対性理論 そうたいせいりろん は真空 しんくう 中 なか の光速 こうそく がどんな場合 ばあい にも一定 いってい (
c
{\displaystyle c}
)であると仮定 かてい しているが、これは「真空 しんくう 中 ちゅう 」であることが本質 ほんしつ であり、空気 くうき や水 みず などの媒質 ばいしつ 中 ちゅう では、そこを進 すす む光 ひかり の速度 そくど は
c
{\displaystyle c}
よりも遅 おそ くなる。たとえば、水 みず 中 なか の伝播 でんぱ 速度 そくど は
0.75
c
{\displaystyle 0.75c}
にすぎない。粒子 りゅうし は、核 かく 反応 はんのう や粒子 りゅうし 加速器 かそくき などによって加速 かそく され、(光 ひかり 速度 そくど
c
{\displaystyle c}
を超 こ えることはないものの)媒質 ばいしつ 中 ちゅう の伝播 でんぱ 速度 そくど を超 こ えることが可能 かのう である。チェレンコフ放射 ほうしゃ は、荷電 かでん 粒子 りゅうし (たいていは電子 でんし )が(絶縁 ぜつえん された)誘電 ゆうでん 体 たい を、その媒質 ばいしつ 中 ちゅう の光 ひかり の速度 そくど よりも速 はや い速度 そくど で通過 つうか するときに放射 ほうしゃ される。
このときの光 ひかり の速度 そくど というのは、群 ぐん 速度 そくど ではなく位相 いそう 速度 そくど である。位相 いそう 速度 そくど は、周期 しゅうき 的 てき 媒質 ばいしつ を用 もち いることで劇的 げきてき に変 か えることができ、このとき最小 さいしょう 粒子 りゅうし 速度 そくど に達 たっ さなくともチェレンコフ放射 ほうしゃ を観測 かんそく することができる(これはスミス-パーセル効果 こうか として知 し られている)。フォトニック結晶 けっしょう などの複雑 ふくざつ な周期 しゅうき 的 てき 媒質 ばいしつ においては、チェレンコフ放射 ほうしゃ のさまざまな特異 とくい 的 てき ふるまいをみることができる。たとえば後方 こうほう への放射 ほうしゃ などである(通常 つうじょう は粒子 りゅうし 速度 そくど の鋭角 えいかく 方向 ほうこう に放射 ほうしゃ する)。
荷電 かでん 粒子 りゅうし が媒質 ばいしつ 中 ちゅう を通過 つうか すると、物質 ぶっしつ の局所 きょくしょ 的 てき 電磁場 でんじば が乱 みだ される。媒質 ばいしつ の原子 げんし 中 なか の電子 でんし は、通過 つうか する荷電 かでん 粒子 りゅうし の場 ば によって動 うご かされ、偏 へん 極 きょく する。場 ば の乱 みだ れが通過 つうか したあと、電子 でんし が再 ふたた び平衡 へいこう 状態 じょうたい に戻 もど ろうとするとき、光子 こうし が放出 ほうしゅつ される(伝導 でんどう 体 たい においては、光子 こうし を放出 ほうしゅつ することなく平衡 へいこう 状態 じょうたい に戻 もど る)。通常 つうじょう の場合 ばあい には、光子 こうし は破壊 はかい 的 てき に干渉 かんしょう しあい、放射 ほうしゃ は検出 けんしゅつ されない。しかし場 ば の乱 みだ れがその物質 ぶっしつ 中 ちゅう の光速 こうそく を超 こ えて伝播 でんぱ するとき、光子 こうし は創造 そうぞう 的 てき に干渉 かんしょう しあい、観測 かんそく される放射 ほうしゃ は増幅 ぞうふく される。
チェレンコフ放射 ほうしゃ は、しばしば飛行機 ひこうき や弾丸 だんがん が超 ちょう 音速 おんそく で移動 いどう するときに発生 はっせい するソニックブーム に喩 たと えられる。超 ちょう 音速 おんそく の物体 ぶったい によって発生 はっせい する音波 おんぱ は、十分 じゅうぶん な速度 そくど がないため、物体 ぶったい 自身 じしん から離 はな れることができない。そのため音波 おんぱ は蓄積 ちくせき され、衝撃波 しょうげきは 面 めん が形成 けいせい される。同 おな じようにして、荷電 かでん 粒子 りゅうし も媒質 ばいしつ 中 ちゅう を通過 つうか するときに、光子 こうし の衝撃波 しょうげきは を生成 せいせい する。
チェレンコフ放射 ほうしゃ の図解 ずかい
図 ず において、粒子 りゅうし (赤 あか い矢印 やじるし )は速度 そくど
v
p
{\displaystyle v_{p}}
で媒質 ばいしつ 中 ちゅう を通過 つうか する。ここでは、粒子 りゅうし の速度 そくど と真空 しんくう 中 ちゅう の光速 こうそく との比 ひ を
β べーた
=
v
p
/
c
{\displaystyle \beta =v_{p}/c}
と定義 ていぎ する。
n
{\displaystyle n}
を物質 ぶっしつ の屈折 くっせつ 率 りつ とすると、放射 ほうしゃ される電磁波 でんじは (青 あお い矢印 やじるし )の伝播 でんぱ 速度 そくど は
v
e
m
=
c
/
n
{\displaystyle v_{em}=c/n}
となる。
三角形 さんかっけい の左 ひだり の頂点 ちょうてん は、ある初期 しょき 時点 じてん (
t
=
0
{\displaystyle t=0}
)における粒子 りゅうし の位置 いち をあらわす。右 みぎ の頂点 ちょうてん は、ある時間 じかん
t
{\displaystyle t}
における粒子 りゅうし の位置 いち をあらわす。ある
t
{\displaystyle t}
が与 あた えられた場合 ばあい 、粒子 りゅうし の移動 いどう 距離 きょり は
x
p
=
v
p
t
=
β べーた
c
t
{\displaystyle x_{p}=v_{p}t=\beta \,ct}
であり、放射 ほうしゃ 電磁波 でんじは の移動 いどう 距離 きょり は
x
e
m
=
v
e
m
t
=
c
n
t
{\displaystyle x_{em}=v_{em}t={\frac {c}{n}}t}
となる。ゆえに、放射 ほうしゃ 角 かく は
cos
θ しーた
=
1
n
β べーた
{\displaystyle \cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}}
となる。
小柴 こしば 昌俊 まさとし によるカミオカンデ やスーパーカミオカンデ などでは、円錐 えんすい 状 じょう に広 ひろ がるチェレンコフ光 こう を捕 と らえることによりさまざまな研究 けんきゅう を行 おこな う。そのチェレンコフ光 こう がニュートリノ により散乱 さんらん された電子 でんし により発生 はっせい したのであれば、チェレンコフ光 こう の観測 かんそく 結果 けっか から電子 でんし の運動 うんどう 方向 ほうこう や速度 そくど が分 わ かり、それらからニュートリノの飛来 ひらい 方向 ほうこう などを計算 けいさん することができ、ニュートリノが観測 かんそく できる。
チェレンコフ光 こう の例 れい としては、原子力 げんしりょく 発電 はつでん 所 しょ の燃料 ねんりょう が入 はい ったプールの中 なか で見 み える青白 あおじろ い光 ひかり がある。東海 とうかい 村 むら JCO臨界 りんかい 事故 じこ やチェルノブイリ原子力 げんしりょく 発電 はつでん 所 しょ 事故 じこ で「青白 あおじろ い光 ひかり を見 み た」と作業 さぎょう 員 いん が証言 しょうげん したので、臨界 りんかい 事故 じこ の確認 かくにん がとれた。なお、東海 とうかい 村 むら JCO臨界 りんかい 事故 じこ で見 み えた光 ひかり がチェレンコフ光 こう であったか別 べつ 現象 げんしょう であったかについては、臨界 りんかい 事故 じこ の記事 きじ に考察 こうさつ がある。
チェレンコフ放射光 ほうしゃこう は、核分裂 かくぶんれつ 連鎖 れんさ 反応 はんのう が止 と まった後 のち も持続 じぞく し、寿命 じゅみょう の短 みじか い生成 せいせい 物 ぶつ が減衰 げんすい するにつれて暗 くら くなる。同様 どうよう に、チェレンコフ放射 ほうしゃ は、使用 しよう 済 ず み核 かく 燃料 ねんりょう 棒 ぼう の残留 ざんりゅう 放射能 ほうしゃのう を物語 ものがた っている。
^ Cherenkov, Pavel A. (1934). “Visible emission of clean liquids by action of γ がんま radiation”. Doklady Akademii Nauk SSSR 2 : 451. Reprinted in Selected Papers of Soviet Physicists, Usp. Fiz. Nauk 93 (1967) 385. V sbornike:Pavel Alekseyevich Čerenkov:Chelovek i Otkrytie pod redaktsiej A. N. Gorbunova i E. P. Čerenkovoj, M.,"Nauka, 1999, s. 149-153. (ref Archived 2007年 ねん 10月 がつ 22日 にち , at the Wayback Machine .)