Физики предложили модификацию черенковского детектора, увеличивающую его чувствительность даже для высоких показателей преломления сред, в которых распространяются релятивистские частицы. В основе нового детектора лежит широкополосный угловой фильтр, состоящий из набора одномерных фотонных кристаллов с различным периодом.

Исследование опубликовано в Nature Communications.

Излучение Черенкова (или Вавилова — Черенкова) возникает в тот момент, когда заряженная релятивистская частица распространяется со скоростью, превышающей фазовую скорость света среды, в которой она движется. Проще говоря, скорость частицы должна быть больше, чем c, деленное на показатель преломления. За открытие этого излучения Черенковым и за его объяснение Таммом и Франком была присуждена Нобелевская премия по физике за 1958 год.

Это открытие позволило создать черенковские детекторы, которые активно применяются в физике высоких энергий и астрофизике. Суть их работы заключается в измерении угла, под которым выходит излучение. Косинус этого угла равен отношению фазовой скорости света к скорости частицы. Следовательно, чем ниже показатель преломления, тем ниже порог по скорости частиц, которые детектор может увидеть.

Однако есть и обратная сторона: чем выше показатель преломления, тем сложнее различать объекты с близкими скоростями. Эта проблема особенно актуальна для очень быстрых частиц, для которых приходится строить огромные газовые камеры с близкими к единице показателями преломления. Это, в свою очередь, приводит к низким интенсивностям самого излучения.

На сегодняшний день предложено несколько идей, как улучшить характеристики черенковских детекторов с помощью разнообразных элементов нанофотоники и метаматериалов, но все преимущества, достигаемые таким образом, реализуются только в очень узких диапазонах частот.

Следующим шагом в этом направлении стала работа команды физиков из шести стран при участии Джона Джоаннопулоса (John Joannopoulos) из Массачусетского технологического института.