28.04.2015 | Наука

Физики уловили излучение, исходящее от единичного электрона

Науке давно известно, что заряженные частицы, такие как электроны, в магнитном поле двигаются по спирали и испускают излучение. Однако зафиксировать излучение от одной-единственной частицы до сих пор не удавалось.

Теперь же американские физики использовали современные исследовательские методики для проведения своего эксперимента и, наконец, уловили радиоволны, исходящие от единичного электрона.

В своей статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, команда исследователей описывает суть своего эксперимента и его результаты. Учёные предлагают представить электрон, летящий горизонтально через вертикальное магнитное поле. Он будет испытывать на себе сторонние силы, которые пропорциональны скорости его движения и напряжённости самого поля. Постоянное воздействие со стороны в результате заставит электрон двигаться по кругу, а повороты в траектории частицы приведут к появлению электромагнитных волн.

Этот эффект можно сравнить с ситуацией, в которой человек крутит над головой мокрую тряпку: совершая круговые движения, тряпка будет разбрасывать во все стороны струи или капли воды, в зависимости от того, насколько она мокрая. То же самое происходит и с двигающимся по кругу электроном, который испускает излучение. Это исходящее излучение, в конце концов, "выжмет" всю энергию из электрона, и он начнёт двигаться по спирали вовнутрь.

Данное явление было известно физикам-теоретикам уже несколько столетий, так как его описали математически. По сути, этот эффект используется для генерации рентгеновских лучей, когда электроны разгоняются по кольцеобразному синхротрону. В естественной среде данное явление также наблюдается: в межзвёздном пространстве электроны часто "вальсируют" по кругу и испускают электромагнитное излучение.

В рамках "Проекта 8" (Project 8) — эксперимента на базе Университета Вашингтона в Сиэттле — физикам, наконец, удалось зарегистрировать радиоизлучение, испускаемое единичным электроном. Мощность этого импульса составила всего одну миллионную долю нановатта.

Для этого учёные использовали источник электронов с определённой энергией, детектор излучения и сверхчувствительные усилители для фиксации сигнала. Сначала физики создали небольшие шарики, покрытые металлом рубидием-83. Их они затем подвергли воздействию, приведшему к радиоактивному распаду рубидия до газобразного криптона-83. Этот газ загнали в ловушку размером с палец.

Каждое возбуждённое ядро атома криптона-83 позднее подвергли внутренней реструктуризации, которая заставила атомы криптона испустить электроны со строго определённой энергией. А эти электроны впоследствии учёные заставили двигаться по кругу при помощи сверхпроводящего магнита.

Важно отметить, что камера, в которой вращался электрон, играла роль волновода, который предназначен для проведения электромагнитных волн в нужном диапазоне частот — от 25 гигагерц до 27 гигагерц — к цепи усилителей. В ходе этого процесса команда физиков проследила за излучением единичного электрона в течение нескольких миллисекунд. Этого оказалось достаточно для того, чтобы увидеть постепенное увеличение частоты излучения по мере того, как электрон шёл по спирали вовнутрь.

Ранее для измерения энергии отдельных электронов физики ставили эксперименты, в ходе которых частицы врезались в кристаллы, которые испускали свет пропорционально энергии электрона. Однако такие опыты приводят к поглощению электронов, тогда как новая методика открывает путь к измерению энергии частицы без её последующего разрушения и поглощения, отмечают авторы исследования.

Свою новую технологию учёные планируют применить для определения массы другой элементарной частицы — нейтрино, которая, в отличие от электрона, обладает нейтральным зарядом. Для этого физики исследуют ядро трития, которое содержит один протон и два нейтрона. Эти ядра переживут так называемый бета-распад, при котором один нейтрон превращается в протон и испускаются нейтрино и электрон. Нейтрино поймать практически невозможно, зато энергия, приходящаяся на электрон и нейтрино будет постоянной (распределение же её между частицами в ходе разных распадов всегда будет разным). Но, измеряя максимальную энергию электронов, исследователи смогут вывести минимальную энергию нейтрино и, следовательно, определить его массу.

Важность эксперимента с определением массы нейтрино заключается в сложившемся парадоксе. Дело в том, что современные расчёты эволюции Вселенной показывают, что масса этих частиц не должна быть меньше 50 мэВ и не превышать 230 мэВ. В то же время все предыдущие эксперименты с бета-распадом указывают лишь на то, что этот показатель не превышает 2000 мэВ. Используя разработанную в ходе нового исследования методику, учёные надеются получить точные значения.

По публикациям UkrNet