チェレンコフ放射

チェレンコフ放射（チェレンコフほうしゃ/ [ ^{1] ）（}チェレンコフ放射^[2]とも呼ばれる）は、荷電粒子（電子など）が誘電体媒体（蒸留水など）を、その媒体中における光の位相速度（媒体中における波面の伝播速度）よりも速い速度で通過するときに放出される電磁放射である。[ 3 ]チェレンコフ放射の典型的な例は、水中の原子炉の特徴的^な 青い輝きである。その原因は、音速を超える動きが発生したときに聞こえる鋭い音であるソニックブームの原因に似ている。この現象は、ソビエトの物理学者パベル・チェレンコフにちなんで名付けられた。

この放射線は、1934年にレベデフ研究所のセルゲイ・ワビロフの指導の下、初めて実験的にこの放射線を検出した、 1958年のノーベル賞受賞者であるソ連の科学者パベル・チェレンコフにちなんで名付けられました。そのため、ワビロフ・チェレンコフ放射線としても知られています。^[4]チェレンコフは実験中に、水中の放射性物質の周囲にかすかな青みがかった光を見ました。彼の博士論文は、一般的に行われるエネルギーの低い可視光ではなく、ガンマ線によって励起されたウラン塩溶液の発光に関するものでした。彼は放射線の異方性を発見し、青みがかった輝きは蛍光現象ではないという結論に達しました。

この効果の理論は、1937年にチェレンコフの同僚であるイゴール・タムとイリヤ・フランクによってアインシュタインの特殊相対性理論の枠組みの中で発展し^[5]、2人は1958年のノーベル賞も共同受賞した。

チェレンコフ放射が円錐状の波面になることは、イギリスの 博学者 オリバー・ヘヴィサイドが1888年から1889年にかけて発表した論文^[6]とアーノルド・ゾンマーフェルトが1904年に発表した論文^[7]で理論的に予測されていたが、両者とも1970年代まで相対性理論による超光速粒子の制限を受けてすぐに否定された。 ^[8] マリー・キュリーは1910年に高濃度ラジウム溶液で青白い光を観測したが^{[9] 、その発生源は調査しなかった。1926年、フランスの放射線治療医リュシアン・マレットは、水を照射した}ラジウムの発光が連続スペクトルを持つことを説明した。^[10]

2019年、ダートマス大学とダートマス・ヒッチコック大学のノリス・コットンがんセンターの研究者チームは、放射線治療を受けている患者の硝子体液でチェレンコフ光が生成されていることを発見した。この光は、生物系からの光放出を観察するために特別に設計されたCDoseと呼ばれるカメラ画像システムを使用して観察された。^{[11] [12]何十年もの間、患者は脳腫瘍の放射線治療を受けているときに「明るい光や青い光の閃光」 [13]}などの現象を報告していたが、その影響は実験的に観察されたことがなかった。^[12]

真空中の光速は 普遍定数（c = 299,792,458 m/s ）ですが、物質中の光速は媒体によって遅くなるため、大幅に遅くなることがあります。たとえば、水中ではわずか 0.75 ‍ cです。核反応や粒子加速器では、物質はこれよりも速い速度（真空中の光速cよりは遅いものの）まで加速することがあります。チェレンコフ放射は、荷電粒子（最も一般的には電子）が誘電体（電気的に分極できる）媒体中をその媒体中の光速よりも速い速度で 移動するときに発生します。

この効果は、次のように直感的に説明できます。古典物理学では、加速する荷電粒子が電磁波を放射し、ホイヘンスの原理により、これらの波が球状の波面を形成し、その媒体の位相速度(つまり、その媒体内の光速は、屈折率で で定義されます) で伝播することが知られています。荷電粒子が媒体を通過すると、媒体の粒子はそれに応じてその周囲で分極します。荷電粒子は分極媒体内の分子を励起し、基底状態に戻ると、分子は励起を達成するために与えられたエネルギーを光子として再放射します。これらの光子は、移動する粒子から発生したと見ることができる球状の波面を形成します。、つまり荷電粒子の速度が媒体内の光速よりも遅い場合、移動する粒子の周囲に形成される分極場は通常対称です。対応する放射された波面は密集している可能性がありますが、一致したり交差したりすることはなく、したがって干渉効果を考慮する必要はありません。逆の状況、つまり、偏光場は粒子の運動方向に沿って非対称です。これは、媒体の粒子が「通常の」ランダムな状態に戻る時間が十分にないためです。この結果、波形が重なり合い (アニメーションのように)、建設的な干渉によって、特徴的な角度で観測される円錐状の光信号 (チェレンコフ光) が発生します。 ${\displaystyle c/n}$${\displaystyle n}$${\displaystyle v_{\text{p}}$${\displaystyle v_{\text{p}}>c/n}$

一般的な例えは、超音速航空機のソニックブームです。航空機によって生成された音波は、航空機よりも遅い音速で移動し、航空機から前方に伝播できず、代わりに円錐状の衝撃波面を形成します。同様に、荷電粒子は絶縁体を通過するときに可視光の「衝撃波」を生成することができます。

超えなければならない速度は、光の群速度ではなく、光の位相速度である。位相速度は周期的媒体を使用することで劇的に変化させることができ、その場合、最小粒子速度のないチェレンコフ放射、いわゆるスミス・パーセル効果を実現することもできる。フォトニック結晶などのより複雑な周期的媒体では、通常のチェレンコフ放射が粒子速度と鋭角を形成するのに対し、逆方向の放射（下記参照）など、さまざまな異常なチェレンコフ効果も得られる。^[14]

チェレンコフ放射の理論的基礎に関する最初の研究で、タムとフランクは次のように書いている。「この特異な放射は、高速電子と個々の原子との相互作用や原子核による電子の放射散乱などの一般的なメカニズムでは明らかに説明できない。一方、媒体中を移動する電子は、その速度が媒体中の光速度よりも大きい限り、均一に移動している場合でも光を放射するという事実を考慮すれば、この現象は定性的にも定量的にも説明できる。」^[15]

幾何学上の図では、粒子（赤い矢印）は、真空中の光の速度 、は媒体の屈折率という 速度で媒体内を移動します。媒体が水の場合、条件は です。これは、 20 °C の水の場合です。 ${\displaystyle v_{\text{p}}}$$${\displaystyle {\frac {c}{n}}}v_{\text{p}}}c,}$$${\displaystyle c}$${\displaystyle n}$${\displaystyle 0.75c<v_{\text{p}}<c}$${\displaystyle n\approx 1.33}$

粒子の速度と光の速度の比を次のように定義します。 放出された光波（青い矢印で表示）は速度で移動します。 $${\displaystyle \beta ={\frac {v_{\text{p}}}{c}}.}$$$${\displaystyle v_{\text{em}}={\frac {c}{n}}.}$$

三角形の左隅は、超光速粒子の初期時点（t = 0）の位置を表します。三角形の右隅は、後の時間tにおける粒子の位置です。与えられた時間tで、粒子は距離を移動します が、放出された電磁波は距離を移動するために制限されます。 $${\displaystyle x_{\text{p}}=v_{\text{p}}t=\beta \,ct}$$$${\displaystyle x_{\text{em}}=v_{\text{em}}t={\frac {c}{n}}t.}$$

放出角度は $${\displaystyle \cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}}$$

チェレンコフ放射は、適切に設計された1次元メタマテリアルを使用することで、任意の方向に放射することもできます。^[16]後者は、高速移動する粒子（）の軌道に沿って位相遅延の勾配を導入するように設計されており、一般化された関係によって与えられる任意の角度でチェレンコフ放射を反転または誘導します。 ${\displaystyle d\phi /dx}$$${\displaystyle \cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}+{\frac {n}{k_{0}}}\cdot {\frac {d\phi }{dx}}}$$

この比率は時間に依存しないため、任意の時間を取って相似三角形を実現できることに注意してください。角度は同じままです。つまり、最初の時間t = 0と最後の時間tの間に生成される後続の波は、示されているものと右端点が一致する相似三角形を形成します。

逆チェレンコフ効果は、負屈折率メタマテリアルと呼ばれる材料（波長以下の微細構造を持つ材料で、構成材料とは非常に異なる有効な「平均」特性を与える。この場合、負の誘電率と負の透磁率を持つ）。これは、荷電粒子（通常は電子）が媒体内の光の位相速度よりも速い速度で媒体を通過すると、その粒子は媒体の前方ではなく、媒体を通過する際に後方に放射を放射することを意味する（誘電率と透磁率が両方とも正である通常の材料の場合）。^[17]また、周期構造が波長と同じスケールであるため、実質的に均質なメタマテリアルとして扱うことができない非メタマテリアル周期媒体でも、このような逆円錐チェレンコフ放射を得ることができる。^[14]

チェレンコフ効果は真空中でも発生することがある。^[18]進行波管（TWT）のような低速波構造では位相速度が減少し、荷電粒子の速度は位相速度を超えながらも 未満に留まることがある。このようなシステムでは、この効果はエネルギーと運動量の保存則から導かれ、光子の運動量は（位相定数）であるはずである^[19]ド・ブロイの関係ではなく。このタイプの放射線（VCR）は高出力マイクロ波を生成するのに用いられる。^[20]${\displaystyle c}$${\displaystyle p=\hbar \beta }$${\displaystyle \beta}$ ${\displaystyle p=\hbar k}$

典型的なチェレンコフ放射と同じ特性を持つ放射は、光より速く移動する電流構造によって生成することができます。^[21]プラズマ加速装置で密度プロファイルを操作することで、ナノクーロンまでの電荷構造が生成され、光速よりも速く移動し、チェレンコフ角で光衝撃を発する可能性があります。電子はまだ光速未満であるため、時間t = t _{0に構造を構成する電子は、時間}t > t ₀の構造内の電子とは異なります。

粒子によるチェレンコフ放射の周波数スペクトルは、フランク・タムの公式で与えられる。 $${\displaystyle {\frac {d^{2}E}{dx\,d\omega }}={\frac {q^{2}}{4\pi }}\mu (\omega )\omega {\left(1-{\frac {c^{2}}{v^{2}n^{2}(\omega )}}\right)}}$$

フランク・タムの公式は、移動した単位長さあたりおよび周波数あたりにチェレンコフ放射から放出されるエネルギーの量を表します。は透磁率、 は荷電粒子が移動する物質の屈折率です。は粒子の電荷、は粒子の速度、 は真空中の 光の速度です。${\displaystyle E}$${\displaystyle x}$${\displaystyle \omega}$${\displaystyle \mu (\omega )}$${\displaystyle n(\omega )}$${\displaystyle q}$${\displaystyle v}$${\displaystyle c}$

特徴的なスペクトルピークを持つ蛍光スペクトルや発光 スペクトルとは異なり、チェレンコフ放射は連続的です。可視スペクトル付近では、単位周波数あたりの相対強度は周波数にほぼ比例します。つまり、チェレンコフ放射では周波数が高いほど (波長が短いほど) 強度が増します。可視チェレンコフ放射が鮮やかな青色に見えるのはこのためです。実際、チェレンコフ放射のほとんどは紫外線スペクトル内にあり、十分に加速された電荷によってのみ可視になります。人間の目の感度は緑色でピークに達し、スペクトルの紫色部分では非常に低くなります。

それ以上では方程式を満たさなくなるカットオフ周波数があります。屈折率は周波数（したがって波長）とともに変化するため、非常に相対論的な粒子（v / cが 1 に近い）であっても、波長が短くなるにつれて強度が増加し続けることはできません。X線周波数では、屈折率は 1 未満になり（媒体内では、位相速度がc を超えても相対性に違反しないことに注意）、X 線放射（またはガンマ線などのより短い波長の放射）は観測されません。ただし、屈折率は共鳴周波数のすぐ下で 1 より大きいことが多いため、物質の核となる電子遷移に対応する周波数のすぐ下の特殊な周波数で X 線が発生する可能性があります（クラマース-クローニッヒの関係と異常分散を参照）。 ${\displaystyle \cos \theta =1/(n\beta )}$ ${\displaystyle n}$

ソニックブームやバウショックと同様に、衝撃波の角度は破壊の速度に直接関係しています。チェレンコフ角は、チェレンコフ放射の放出の閾値速度ではゼロです。粒子の速度が光速に近づくと、角度は最大になります。したがって、観測された入射角を使用して、チェレンコフ放射を生成する電荷の方向と速度を計算できます。

チェレンコフ放射は、眼球内の荷電粒子が硝子体に衝突することで発生し、閃光のような印象を与える。^{[22] [23]}宇宙線視覚現象や臨界事故の観測例にも見られる。

チェレンコフ放射は、少量および低濃度の生体分子の検出を容易にするために広く使用されています。^[24]リン32などの放射性原子は、酵素や合成手段によって生体分子に容易に導入され、その後、生物学的経路を解明したり、親和定数や解離速度などの生体分子の相互作用を特徴付けたりする目的で、少量で簡単に検出できます。

最近では、チェレンコフ光は体内の物質を画像化するために使用されています。^{[25] [26] [27]}これらの発見により、この光信号を使用して、注射された放射性医薬品などの内部源または腫瘍学における外部ビーム放射線療法からの体内の放射線を定量化および/または検出するというアイデアに大きな関心が寄せられています。陽電子放出体¹⁸ Fおよび¹³ N、またはベータ放出体³² Pまたは⁹⁰ Yなどの放射性同位体は、測定可能なチェレンコフ放出を持ちます^[28]また、同位体¹⁸ Fおよび¹³¹ Iは、診断価値の実証のために人間で画像化されています。^{[29] [30]}

体外放射線療法では、6 MV から 18 MV の範囲のエネルギーを持つ電子ビームまたは光子ビームにより、治療対象の組織にかなりの量のチェレンコフ光が誘発されることがわかっています。これらの高エネルギー X 線によって誘発された二次電子はチェレンコフ光の放出をもたらし、検出された信号は組織の入口表面と出口表面で画像化できます。^[31]放射線療法中に患者の組織から放出されるチェレンコフ光は非常に低い光レベルの信号ですが、線形加速器パルスに同期して取得する特別に設計されたカメラで検出できます。^[32]この信号を見ることができるため、組織に入射する放射線ビームの形状がリアルタイムで表示されます。^[33]

チェレンコフ放射は高エネルギー荷電粒子の検出に利用される。開放型原子炉では、核分裂生成物が崩壊するにつれてベータ粒子（高エネルギー電子）が放出される。連鎖反応が止まった後も輝きは続き、短寿命生成物が崩壊するにつれて暗くなる。同様に、チェレンコフ放射は使用済み燃料棒の残留放射能を特徴づけることができる。この現象は、核安全保障の目的で使用済み燃料プール内の使用済み核燃料の存在を確認するために利用される。^[34]

高エネルギー ( TeV )ガンマ光子または宇宙線が地球の大気と相互作用すると、非常に高速の電子と陽電子の 対が生成されることがあります。これらの荷電粒子によって大気中に放出されるチェレンコフ放射は、宇宙線またはガンマ線の方向とエネルギーを決定するために使用され、たとえばVERITAS、HESS、MAGICなどの実験による画像化大気チェレンコフ技術( IACT ) で使用されます。地球に到達した荷電粒子によって水で満たされたタンク内で放出されるチェレンコフ放射は、大規模空気シャワー実験HAWC、ピエール・オージェ・オブザバトリー、およびその他のプロジェクトによって同じ目的で使用されます。同様の方法が、スーパーカミオカンデ、サドベリーニュートリノ観測所 (SNO)、アイスキューブなどの非常に大型のニュートリノ検出器で使用されています。過去には、ニューメキシコ州に位置し、非撮像チェレンコフ観測所として機能するよう改修された元太陽観測塔であるSTACEEなど、関連技術を適用した他のプロジェクトも実施された。

チェレンコフ技術を用いて空気シャワーを測定する天体物理学観測所は、超新星残骸やブレーザーなど、非常に高エネルギーのガンマ線を放出する天体の特性を決定する上で重要な役割を果たします。

チェレンコフ放射は、実験粒子物理学において粒子の識別によく使用されます。特定の媒体で放出されるチェレンコフ光の特性によって、電荷を帯びた素粒子の速度を測定（または制限）することができます。粒子の運動量を独立して測定すると、運動量と速度（四元運動量を参照）によって粒子の質量を計算し、粒子を識別することができます。

チェレンコフ放射技術に基づく最も単純なタイプの粒子識別装置は閾値カウンタです。これは、荷電粒子の速度が特定の値 ( 、ここでは光速、 は媒体の屈折率) より低いか高いかを、この粒子が特定の媒体でチェレンコフ光を放射するかどうかを調べることによって答えます。粒子の運動量がわかれば、特定の閾値より軽い粒子と閾値より重い粒子を区別することができます。 ${\displaystyle v_{0}=c/n}$${\displaystyle c}$${\displaystyle n}$

最も先進的なタイプの検出器は、1980年代に開発された RICH、つまりリングイメージングチェレンコフ検出器です。RICH検出器では、高速荷電粒子が適切な媒体（放射体と呼ばれることが多い）を横切るときに、チェレンコフ光の円錐が生成されます。この光円錐は位置敏感な平面光子検出器で検出され、リングまたはディスクを再構成できます。その半径はチェレンコフ放出角度の尺度です。集束型と近接集束型の両方の検出器が使用されています。集束型 RICH 検出器では、光子は球面ミラーによって収集され、焦点面に配置された光子検出器に焦点を合わせます。その結果、粒子の軌跡に沿った放出点に依存しない半径の円が生成されます。この方式は、十分な光子を生成するために必要な放射体の長さが長いため、屈折率の低い放射体（つまりガス）に適しています。よりコンパクトな近接集束設計では、薄い放射体容積がチェレンコフ光の円錐を放射し、それが短い距離（近接ギャップ）を横断して光子検出器面で検出される。画像は光のリングであり、その半径はチェレンコフ放射角と近接ギャップによって定義される。リングの厚さは放射体の厚さによって決まる。近接ギャップRICH検出器の例としては、高運動量粒子識別検出器（HMPID）^[35]があり、これは現在、欧州原子核研究機構（CERN）のLHC（大型ハドロン衝突型加速器）の6つの実験のうちの1つであるALICE（大型イオン衝突型加速器実験）用に建設中の検出器である。

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ウィキメディア・コモンズには、チェレンコフ放射に関連するメディアがあります。

• YouTubeで原子炉が起動
• 原子炉の起動（YouTubeの代替リンク）
• Radović, Andrija (2002). 「チェレンコフ粒子を磁子として扱う」(PDF) . Journal of Theoretics . 4 (4): 1–5. 2016-03-04 にオリジナル(PDF)からアーカイブ。2015-09-30に取得。