גלאי צ'רנקוב

גלאי צ'רנקוב הוא גלאי חלקיקים אשר מסוגל לזהות מעבר של חלקיקים הנעים במהירות גבוהה במיוחד באמצעות גילוי קרינת צ'רנקוב שהם יוצרים בתנועתם.

בסיס מדעי

לפי תורת היחסות של איינשטיין, אף גוף או חלקיק בעל מסה אינו מסוגל לנוע מהר יותר ממהירות האור בריק- ככל שמהירות הגוף או החלקיק מתקרבת למהירות האור, יש צורך ביותר ויותר אנרגיה על מנת להאיצו, ועל מנת שהחלקיק יגיע למהירות האור יש צורך באנרגיה אינסופית, ולכן הגעה למהירות זו בלתי אפשרית. מהירות האור בריק היא גודל קבוע- c, השווה בקירוב ל-300 אלף קילומטרים בשנייה. לעומת זאת, מהירותו של האור בסוגי תווך שונים שונה באופן ניכר ממהירותו בריק, זאת כיוון שהאור מתנהג גם כחלקיק וגם כגל- ולגל יש מהירות שונה וקבועה עבור כל תווך בו הוא עובר. במים, למשל, מהירותו של האור היא כשלושה רבעים ממהירותו בריק- בערך 225,000 קילומטרים בשנייה. עקב מהירותו הפחותה של האור בסוגי תווך מסוימים, חלקיקים אחרים עשויים לנוע מהר יותר מהאור בעודו בתווך. כאשר חלקיק טעון נע במהירות בחומר, הוא יוצר הפרעה אלקטרומגנטית בחלקיקים שלידו. הפרעה זו מתבטאת בפליטה של קרינה אלקטרומגנטית- אור. כאשר החלקיק הטעון נע מהר יותר מהאור אשר נוצר עקב מעבר החלקיק- למשל בעקבות פגיעת חלקיק נייטרינו באלקטרון- האור יוצר חזית מאחורי החלקיק באופן הדומה לבום העל-קולי הנוצר כאשר מטוס עובר את מהירות הקול- למעשה, נוצר מעין "בום על-אורי", הקרוי קרינת צ'רנקוב. קרינה זו נמצאת ברובה בטווח הסגול עד האולטרא סגול, אך לעין האנושית היא נראית כחולה. הזווית בה מתפרשת חזית הפגיעה של קרינת צ'רנקוב -זווית זו מכונה "זווית צ'רנקוב"- נקבעת לפי מהירות החלקיק הטעון ולפי מקדם השבירה של התווך:

$cos\theta =1/n\beta$

כאשר θ היא זווית הפרישה של הקרינה, n הוא מקדם השבירה של התווך ו- β היא מהירות החלקיק הטעון ביחס למהירות האור בריק.

היסטוריה

הרעיון של קרינת צ'רנקוב הועלה לראשונה בשנת 1888, על ידי אוליבר הביסייד. בשנת 1900 נחזה לראשונה, על ידי מארי ופייר קירי, "זוהר כחול" בנוזלים המכילים ריכוז גבוה של רדיום, אם כי קרינת צ'רנקוב לא נחשדה כמקור הזוהר. התאוריה של הביסייד אוששה בניסוי בשנת 1934, על ידי פאבל אלכסיביץ' צ'רנקוב, ונקראה על שמו. בשנת 1937 הוסברה הקרינה במלואה על ידי איליה פרנק ואיגור תם, אשר זכו יחד עם צ'רנקוב בפרס נובל בשנת 1958 על גילוי הקרינה.

גלאי צ'רנקוב וסוגיהם

גלאי צ'רנקוב הם גלאים שמתבססים על עיקרון קרינת צ'רנקוב על מנת לגלות מידע על חלקיקים שונים. בגלאים נמדדת הקרינה הנוצרת ממעבר של חלקיקים דרך תווך שתכונותיו ידועות מראש, ומתכונות הקרינה מוסקות תכונות שונות של החלקיקים. גלאי צ'רנקוב מורכבים משלושה חלקים עיקריים: רדיאטור (חומר/תווך דרכו יעברו החלקיקים הנבדקים), גלאי פוטונים, שמטרתו לזהות ולמדוד את קרינת הצ'רנקוב, ומראות ו/או עדשות שמטרתן לכוון את הקרינה אל הגלאי.

גלאי סף

גלאי המבוסס על העובדה שלכל תווך קיים תנע מינימלי, ורק חלקיק בעל תנע גדול מתנע מינימלי זה שעובר דרך התווך יצור קרינת צ'רנקוב במעברו בתווך. תנע זה תלוי ביחס ישר למסת החלקיק העובר וגם במקדם השבירה של התווך. הגלאי מורכב מתווך, דרכו מועברים חלקיקים, ומגלאי פוטונים הקולט את הקרינה. הגרסה הבסיסית ביותר של הגלאי תזהה האם נוצרה קרינה במעבר חלקיקים בתווך או לא. אם לא נוצרה קרינה, ניתן ללמוד שלא הועבר בתווך חלקיק בעל תנע מספיק. באופן כזה ניתן לבדוק את קיומו של חלקיק מסוג מסוים במקום כלשהו. קובעים תווך בעל מקדם שבירה כזה שהחלקיק ייצור בו קרינה ומריצים את החלקיקים הנבדקים דרכו. גלאי סף מתקדמים יותר יודעים למדוד את כמות הקרינה הנפלטת ולפיה להבדיל בין החלקיקים השונים שיצרו אותה. לעיתים משורשרים כמה תווכים זה אחרי זה כדי ליצור הפרדה מפורטת יותר.

גלאי דיפרנציאלי

גלאי זה מאפשר למדוד מהירות של חלקיקים, אך השימוש הנפוץ ביותר שלו הוא לזיהוי חלקיקים (לרוב לזיהוי של חלקיקים המרכיבים אלומה). הגלאי מבוסס על הנוסחא של זווית פרישת הקרינה. בגלאי זה מועברים חלקיקים דרך תווך, וזווית הפרישה של קרינת צ'רנקוב הנוצרת נמדדת. מכיוון שמקדם השבירה של התווך ידוע, ניתן להסיק מנתוני המדידה את מהירות החלקיקים הנבדקים.

גלאי הדמיה טבעתית

החלקיקים מועברים דרך תווך, והקרינה הנוצרת מרוכזת על לוח גלאים. הלוח מייצר שרטוט מדויק של נקודות פגיעת הקרינה בו. בעזרת ניתוח צורת הפגיעה, רדיוס הפגיעה, וכמות הקרינה, מחושבת מהירות החלקיקים. גלאי זה הוא המתוחכם מכולם, מכיוון שהוא מספק גם את כמות הקרינה וגם את צורתה (זווית הפרישה שלה בעיקר). אם החלקיקים שהועברו הינם בעלי מסה ידועה מראש, בעזרת המהירות ניתן לחשב את תנע החלקיקים. אם תנע החלקיקים המועברים נמדד מראש (על ידי עיקום שנעשה באמצעות מגנט), ניתן להסיק מהתנע והמהירות הנמדדים את מסת החלקיקים, וכך לזהות את סוגם. בניגוד לגלאים הקודמים גלאי זה יכול לזהות כמה קרינות צ'רנקוב (כלומר של חלקיקים מסוגים שונים) בו זמנית. דוגמה לגלאי הדמיה טבעתית היא גלאי HMPID, אחד מהגלאים של ALICE, שהוא אחד מהניסויים הנעשים ב-CERN.