ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УКАЗАНИЯ О СУЩЕСТВОВАНИИ ТАХИОНОВ, ПОЛУЧЕННЫЕ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ЧЕРЕНКОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

АЛЕКСЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ ТЯПКИН

ALEXEY ALEXEYEVICH TYAPKIN

Сообщается о первом экспериментальном обнаружении черенковского излучения, вызванного сверхсветовыми частицами – так называемыми тахионами. Этот вывод был сделан на основе проведенного в ОИЯИ тщательного анализа трех фотографий черенковского излучения, возникшего в газовом радиаторе при прохождении уникального пучка релятивистских ионов свинца ускорителя SPS в ЦЕРН. Анализируемый материал был получен авторами работы [1] при поддержке коллектива установки NA-49 ЦЕРН.

Работа выполнена в Лаборатории физики частиц ОИЯИ.

Статья впервые была опубликована в виде препринта ОИЯИ Д1-99-292 за 1999 год. Рукопись поступила в издательский отдел 9 ноября 1999 года и была также направлена в журнал «Письма в ЖЭТФ». В 2000 году в журнале «Письма в ЭЧАЯ», 2 [99]-2000 была опубликована работа А.С.Водопьянова, В.П.Зрелова и А.А.Тяпкина «Анализ аномального черенковского излучения, полученного на пучке релятивистских ионов свинца SPS CERN» аналогичного содержания, с дополнительными рисунками, пояснениями и таблицей, которые мы приводим в сносках к настоящей статье. Далее все ссылки в наших сносках на эту работу будут обозначаться значком [٭]. – Прим. Ред.
 

Для исследования черенковского излучения релятивистских ионов свинца в работе [1] применялся газонаполненный детектор, общая схема которого показана на рис.1. По оси металлической трубы детектора проходил пучок релятивистских ионов свинца (изотопа с атомным числом 208 с энергией 157,7 ГэВ на нуклон).

___________

Примечание: ²⁰⁸Pb⁸²⁺ [٭].

___________

Входное окно в алюминиевом фланце имело диаметр 20 мм и толщину стенки 0,4 мм. А пучок ионов в месте расположения черенковского детектора имел диаметр не более 3 мм. Черенковский свет, излученный в газовом радиаторе (длина которого вдоль оптической оси равна 405 мм), после отражения в наклонном (Примечание: Угол наклона – 45 градусов [٭]) зеркале попадал в объектив фотоаппарата. В опыте использовался объектив «Гелиос-40» (светосила 1:0,85, фокусное расстояние f = 85 мм), настроенный на бесконечность, что обеспечивало получение кольцевого изображения для соответствующего конуса черенковского излучения. В опыте использовался фотоаппарат «Зенит-Е» и черно-белая негативная фотопленка «НКШ-2» чувствительностью около 20 ед. ГОСТ (Примечание: Чувствительность этой плёнки соответствует ISO 23/14 [٭]).

Рис. 1. Схема газонаполненного черенковского детектора:   1 — коллимированный пучок ядер свинца; 2 — труба газового радиатора диаметром 60 мм; 3 — зеркало (напыленный на стекло алюминий); 4 — выпускное окно; 5 — место для дифракционной решетки; 6 — объектив «Гелиос-40» и фотоаппарат «Зенит-Е»; 7 — патрубок для соединения с вакуум­ной системой; 8 — патрубок для наполнения воздухом или гелием; 9 — лампа вакуумметра; 10 — манометр; 11 — ход лучей черенковского излучения

Рис. 2. Изображение фотоснимока кольца аномального черенковского излучения (указано стрелкой)

Рис. 2-Прим. Фрагмент фотоснимока кольца аномального черенковского излучения (добавлено редакцией)

При атмосферном давлении воздуха в черенковском детекторе при прохождении 10⁷ ионов свинца было сделано  три фотоснимка. Первый из них представлен на рис.2. На этих снимках четко видно яркое узкое кольцо от черенковского излучения релятивистских ионов свинца, которое расположено в середине широкого кольца, имеющего квантовую природу двухфотонного излучения. Помимо впервые наблюдаемого двухфотонного процесса черенковского излучения [1], на этих же снимках были обнаружены едва заметные круги от частиц, вылетающих под малыми углами к направлению пучка ядер свинца. Но самым неожиданным в этих кругах от черенковского света было то, что все они соответствовали частицам, движущимся быстрее скорости света в вакууме. Другим не менее удивительным свойством этого излучения является непомерно большая его интенсивность. Действительно, несмотря на то, что обнаруженные кольца излучения едва заметны на снимках, сосредоточенная в них энергия излучения составляет порядка 0,01 от энергии в кольце черенковского излучения, вызванного 10⁷ ядрами свинца. Сверхсветовой частице на рис. 2 соответствует скорость β – 1 = 8∙10^–4. Всего на трех снимках обнаружено семь сверхсветовых частиц.

________________

Примечание. Специальная техника преобразования графических образов позволила обнаружить ещё 3 едва заметных кольца на фотографии, показанной на рис. 2. Они схематично показаны на рис. I. Рисунок II демонстрирует кольца на двух других фотоснимках. Для их выявления, при проявке фотоплёнки потребовалось индивидуально в каждом случае подбирать выдержку. Жирные кольца на всех трёх рисунках соответствуют Черенковскому излучению, вызванному пучком ионов свинца [٭].
     

               Рис. I.                                            Рис. II.                    Рис. III.

_________________

Поскольку речь идет о столь необычном излучении, то целесообразно обсудить другие возможные причины возникновения наблюдаемых эффектов. Так, прежде всего следует рассмотреть возможность оптического преобразования интенсивного кольца черенковского излучения от ионов свинца в отраженное кольцо увеличенного диаметра. Такое преобразование исходного конуса излучения было бы возможно при отражении от выпуклой поверхности, но совершенно необъяснимо получение на каждом снимке нескольких узких колец, которым соответствуют различные по направлениям конусы излучений. (Примечание: В этом случае наблюдались бы кольца с большой эррозией и много меньшей интенсивностью [٭].)

Другой вариант предполагаемого объяснения наблюдаемых эффектов может исходить не из имеющегося кольца черенковского излучения, а из свечения возбужденных ядрами свинца атомов и молекул воздуха. Такое свечение атомов вдоль пучка, конечно, существует, но оно изотропно, и немыслимо его преобразование в несколько узких колец, которым соответствуют конусы излучений под разными углами.

Подобные конусы черенковского света могут создаваться, как было показа­но Б.М.Болотовским и В.Л.Гинзбургом [2], сверхсветовым источником, созданным с помощью светового пятна от луча вращающегося источника света. Но в нашем эксперименте нет каких-либо вращающихся лучей света и, следовательно, отсутствует основа для подобной имитации тахиона по наблюдаемому черенковскому излучению.

________________

Примечание:

Черенковский детектор того же типа использовался и в эксперименте с электронным пучком на VEPP-3-ускорителе в Новосибирске, с целью исследования излучения Черенкова в газах. Тогда, помимо обычных черенковских колец, наблюдались и кольца много больших диаметров. Эти кольца были довольно широкими и были точно центрированы по отношению к оси трубки черенковского детектора. Их диаметры не зависели от давления га-зов в детекторе (например, гелия). Поэтому эти кольца без колебаний были интерпретированы как отражения черенковского светового излучения электронного пучка от трубки детектора. Необходимо подчеркнуть, что в эксперименте А.А.Тяпкина с коллегами трубка специально была покрыта сажей, с целью предотвратить отражения черенковского света [٭].

Ещё одной возможностью имитации «сверхсветовых частиц» мог быть конус от пучка, когда он падает на границу двух сред. Как показано в [Ginzburg V.L. Theoretical Physics and Astrophysics, M.: Nauka, 1975, p.170; Zrelov V.P. Vavilov-Cherenkov Radiation and its Applications in High-Energy Physics, M.: Atomizdat, 1968, part 1, p.72], при угле падения Ψ = 90° «сверхсветовой источник» имеет скорость V₀ = c/(n∙sinθ), где θ – угол излучения Вавилова-Черенкова. В случае падения частицы на зеркало под углом Ψ = 45°, что и имело место в данном эксперименте, скорость V₀ может принадлежать промежутку от ~1,4∙c до ~ 45∙c (c – скорость света в вакууме). Однако скорости, обнаруженные в эксперименте, превышали с лишь на величины порядка Δβ ≈ 5∙10^–3  [٭].

________________
 

Таким образом, без дополнительных экспериментальных исследований не представляется возможным найти конкретную причину имитации обнаруженных эффектов сверхсветового движения. Но дополнительные эксперименталь­ные исследования также крайне необходимы и для утверждения в науке представления о существовании гипотетической сверхсветовой частицы, названной Фейнбергом [3] тахионом (от греческого слова ταχισ — быстрый), а тем самым и для реализаций фундаментальных теоретических идей метарелятивизма [4].

Поэтому как инициатор и руководитель первых исследований свойств черенковского излучения на уникальном пучке релятивистских ионов свинца считаю нужным взять на себя ответственность за следующее сообщение.

Полученные в работе [1| экспериментальные данные и результаты их анализа хорошо согласуются с гипотезой о существовании сверхсветовых частиц. Следует, однако, подчеркнуть, что этих данных вовсе не достаточно для окончательного решения вопроса о существовании столь экзотических частиц в природе.

Настоящей публикацией автор надеется возбудить интерес к продолжению поиска гипотетических тахионов по их черенковскому излучению в газах.

___________________

Примечание.

В работе [٭] авторы приводят также следующие результаты.

«Кольца были проанализированы c использованием стандартного выражения cosθ = 1/(n∙β). Процедура вычисления скоростей частиц была следующей. В соответствии с калибровкой нашего объектива, расстояние 1 mm на плёнке соответствует 40 угловым минутам. Таким образом радиус кольца, измеренный на плёнке, можно преобразовать в угол черенковского излучения, принимая во внимание это соотношение. Скорость частицы определяется из формулы β =1/(cosθ∙n^air) для известного показателя преломления воздуха n^air = 1.000263 (λ= 546 nm) при   P = 729 mm Hg и t=20°C. Неопределённость в β зависит от точности измерения самого диаметра кольца. Например, в случае кольца 1 точность измерения диаметра равна 0.02 mm, и погрешность в β есть 1∙10 ^{– 5}. Для других колец погрешность в β больше вследствие меньшей интенсивности обнаруженного излучения, а также по той причине, что некоторые кольца, как например 5 и 6, представлены на фотоплёнке только их дугами. Азимутальное распределение колец довольно однородно (7 колец расположены впервой, третьей и четвёртой четвертях).

Таблица. Кинематические параметры колец аномального излучения Черенкова (α есть угол наклона траектории частицы по отношению к направлению пучка ионов).

Кинематические параметры для каждого кольца аномального излучения показаны в Таблице (номера колец соответствуют нумерации на рисунках I, II и III: средний диаметр кольца, угол излучения (θ), угол (α) наклона оси конуса излучения по отношению к направлению пучка ионов свинца и, наконец, относительная скорость гипотетической частицы, выраженная в единицах скорости света в вакууме. Для сравнения, первая строчка в таблице описывает параметры для кольца черенковского излучения, вызванного самим пучком ионов ²⁰⁸Pb⁸²⁺».

И, в конце статьи [٭], авторы делают следующие заключения.

«Оценка значения интенсивности черенковского излучения, сконцентрированного в аномальных кольцах (около 0.03 erg) показывает, что только гипотетическая частица, имеющая экзотический магнитный заряд в 400 минимальных зарядов монополя Дирака могла бы порождать черенковское излучение столь высокой интенсивности.»

«Мы оценили сечение взаимодействия этих сверхсветовых частиц с ядрами молекул воздуха для случая, когда через детектор проходит пучок ионов свинца с энергией 157.7 A∙GeV. На основании наблюдения зарегистрированных аномальных колец черенковского излучения, которые могут соответствовать независимо порождённым сверхсветовым частицам, представляется возможным дать максимальную оценку сечения рождения сверхсветовых частиц в нуклон-нуклонных столкновениях, которая составляет около 10 ^{– 31} сm².»

«Согласно некоторым теоретическим предсказаниям, тахионы (если они существуют), есть стабильные частицы, но они теряют свою основную энергию чрезвычайно быстро (ускоряясь до скорости V→∞) в полосе частот от 0 до E/ћ. Как показано в работе [Jones F.C.  Bull. Am. Phys. Soc., 1972, v.17, p.515], потери энергии тахиона (если его размер ћ/(m∙c) = 3.8∙10 ^{– 11} cm) могут иметь порядок 10² TeV/cm. Поэтому для изучения тахионов предпочтительно использовать эффект черенковского излучения в моменты их рождения в прозрачных средах...»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К [٭]:

1. Шелаев  И.А., Балдин А.М., Малахов А.И., Лангрок Э. И.   Ускоритель и реактор - Письма в ЭЧАЯ № 6[103] - 2000, с. 70 - 86.

2. Васильков В. Г., Гольданский В. И., Джелепов В.П.,  Дмитриевский В.П. Электроядерный  метод  генерации   нейтронов и производства расщепляющихся материалов - Атомная энергия, 1970, т.29, вып. 3, с. 151-156.

3. Барашенков В. С., Шелаев И.А.  Электроядерные усилители энергии с низкоэнергетическими пучками протонов  - Атомная энергия, 1998, т. 85, вып. 5, с. 409-411.

4. Ананьев В.Д., Франк И.М., Шабалин Е.П. Реактор ИБР-2 - это новые возможности в нейтронных исследованиях. В юбилейном сборнике: Объединённый институт ядерных исследований, Дубна, 1986, с.288—292.

5. Блатт Дж., Вайскопф В. Теоретическая ядерная физика Пер. с англ. М.: Изд-во иностранной литературы, 1954, с.391-393.

___________________
 

Настоящей публикацией автор надеется возбудить интерес к продолжению поиска гипотетических тахионов по их черенковскому излучению в газах.[7]

В заключение считаю своим приятным долгом выразить благодарность В.П.Зрелову, выполнившему тщательный анализ фотоснимков, и остальным авторам работы [1] как непосредственным участникам эксперимента.

Я также благодарен руководству эксперимента NА-49 ЦЕРН за предоставленную возможность проведения исследований и большую техническую помощь.

ЛИТЕРАТУРА

1.  Tyapkin A., Vodopyanov A., Zrelov V., Ruzicka J., Chochula P., Sandoval A. – JINR Rapid Com., 1999 (to be published).

2.  Болотовский Б.М., Гинзбург В.Л. – УФН, 1972, т.106, с.577.

3.  Feinberg G. – Phys. Rev., 1967, v. 159, p. 1089.

4. Bilaniuk O.M.P., Deshpandt V.K., Sudarshan E.C.G. – Amer. J. Phys., 1962, v.30, p.71.