Физики создали "невозможную" линзу для гамма-лучей

Гамма-лучи планируют преломлять при помощи золотых линз (фото D. Habs).

Долгое время физики полагали, что им не удастся осуществить преломление гамма-лучей. Франко-германская группа учёных сумела экспериментально доказать, что это возможно. Для этого они использовали особую кремниевую линзу.

Чтобы понять, в чём состоит "невозможность" преломления гамма-излучения, необходимо вспомнить школьные уроки физики. Так, известно, что, проходя через различные среды, волны электромагнитного излучения (к ним в частности относятся свет и гамма-лучи) способны изменять траекторию распространения. Степень такого отклонения измеряется коэффициентом преломления и определяется соотношением фазовых скоростей электромагнитных волн в вакууме и в среде. Если скорости равны, то коэффициент равен единице (то есть преломление отсутствует). К примеру, видимый свет, распространяясь в воздушной среде при обычных условиях, имеет коэффициент преломления, практически равный единице.

Свойства электромагнитных волн видимого диапазона позволяют относительно свободно им управлять (отражать, фокусировать и рассеивать). Более того, недавно физики научились изгибать лучи света под любым углом без внешнего воздействия.

Однако с возрастанием энергии и убыванием длины волны возможность преломления уменьшается. Например, всё не так просто в случае рентгеновского излучения. Только в конце XX века, благодаря применению многослойной структуры при создании зеркал, учёные научились управлять рентгеновскими лучами.

Гамма-излучение обладает ещё более высокой энергией, чем рентгеновское, и, проходя через вещество, не испытывает влияния встречных электронов, сохраняя заданную траекторию распространения. По этой причине отклонение гамма-лучей класическими способами до сих пор считалось маловероятным. Однако эксперимент, проведённый в институте Лауэ-Ланжевена (Institut Laue-Langevin) французскими и немецкими физиками, показал, что и гамма-лучи можно немного отклонить от первоначального пути.

Получив гамма-излучение путём бомбардировки нейтронами радиоактивных образцов хлора и гадолиния, учёные направили его в спектрометр, разделив на два потока. Один из потоков был пропущен через кремниевую призму, а второй оставался свободным. Отклонение лучей, прошедших через призму, составило миллионную долю градуса. Полученный коэффициент преломления равнялся 1,000000001 (то есть всё же не был равен единице).

Исследователи полагают, что наблюдаемый эффект был вызван электрон-позитронными парами, появляющимися в ядрах атомов кремния. В классическом представлении электроны не могут присутствовать в ядре из-за сильных полей. Однако квантовая физика "разрешает" появление в ядрах виртуальных пар электронов и их античастиц (позитронов). Они появляются на мгновение, рекомбинируют и снова исчезают. Хабс и его коллеги полагают, что именно они усиливают рассеивание гамма-лучей, которое обычно ничтожно мало, а потому уловить его крайне сложно.

"Это открытие поднимает нас на новую ступень развития в области оптики, — рассказывает профессор Дитрих Хабс (Dietrich Habs) из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана. – Мы как будто нашли очки, которые помогают видеть в диапазоне гамма-излучения".

Чтобы усилить полученное отклонение, учёные планируют использовать элементы с бóльшими по сравнению с кремнием ядрами, обладающими также большим количеством электрон-позитронных пар. Уже летом этого года будут проведены дополнительные эксперименты с заменой кремниевой линзы на золотую.

Несмотря на то, что результаты пока более чем скромные (отклонение очень мало), сама возможность управления гамма-излучением открывает целое направление в оптике. Более того, открытие найдёт применение в самых разных областях науки: от медицины до утилизации ядерных отходов.

Физики полагают, что рано или поздно удастся создать такие линзы для гамма-излучения, которые помогут находить следовые количества определённых радиоактивных частиц, используемых в медицине или для создания оружия. Для этого линзы необходимо будет настроить на преломление гамма-излучения определённой энергии — такие лучи будут рассеиваться только на "своих" радиоизотопах, проходя мимо других незамеченными.

Метод можно будет использовать и для создания новых изотопов: излучение определённой энергии будет "снимать" протоны и нейтроны с существующих образцов. Таким способом можно будет также перерабатывать радиоактивные отходы в безвредные нерадиоактивные продукты, пишут учёные.

Сегодня