Partikelfysiker har ett mödosamt jobb i att identifiera alla elementarpartiklar som skapas i deras partikelacceleratorer. Men nu har forskare vid Chalmers designat ett material som gör det betydligt lättare att skilja partiklarna åt.
En Tjerenkov-ljuskon skapad av partiklar som rör sig genom metamaterialet, som designats av chalmersforskaren Philippe Tassin med kollegor. Materialet består av silvercylindrar med nanometer-tunna väggar inbäddade i ett icke-strömförande material. Schackbrädet illustrerar den transformation av koordinaterna som används för att öka materialets förmåga att skilja ljuskoner från varandra.
Bild: Vincent Ginis
Bildlicens: creative commons
För att undersöka materians minsta beståndsdelar låter fysiker partiklar krocka med varandra vid mycket höga hastigheter, till exempel i partikelacceleratorn LHC på Cern. I kollisionerna skapas skurar av vanliga och ovanliga partiklar, alla osynliga för ögat.
För att kunna identifiera dem behöver man detektera den kon av ljus, så kallad Tjerenkov-strålning, som bildas kring en partikel när den färdas snabbare än ljuset i ett genomskinligt material.
Går det? Ja, faktiskt. Inget kan färdas snabbare än ljushastigheten – i vakuum. Men i vissa material går ljuset långsammare och däri kan alltså partiklar röra sig fortare än ljuset utan att bryta mot några fysikaliska lagar. Tjerenkov-strålning är ljusets motsvarighet till den chockvåg av ljud som skapas när ett föremål rör sig snabbare än ljudet. Ljuskonens vinkel, alltså dess spetsighet, ger partikelfysikerna ett mått på partikelns hastighet vilket hjälper dem att identifiera partikeln.
Problemet är att ljuskonens vinkel slår i taket vid en viss rörelsemängd (massa x hastighet) hos partikeln; alla partiklar med en rörelsemängd därutöver alstrar ljuskoner med samma vinkel. Därmed blir de omöjliga att identifiera.
Nu har chalmersforskaren Philippe Tassin och hans medarbetare vid Bryssels fria universitet designat ett material som manipulerar Tjerenkov-konen så att även partiklar med hög rörelsemängd får en ljuskon med distinkt vinkel. Arbetet frontar veckans nummer av i tidskriften Physical Review Letters.
– Resultatet blir att även partiklar med stor rörelsemängd kan särskiljas och identifieras effektivt, säger Philippe Tassin i ett pressmeddelande.
Metoden som de använt för att designa sitt material kallas för transformationsoptik. Det är en ganska ny och mycket fruktbar kombination av Einsteins relativitetsteori – med sin krökta rumtid – och optik. Noggrant uträknade variationer av materialets brytningsindex får ljuset att uppleva materialet som krökt och därför uppför det sig annorlunda än vad vi är vana vid. I chalmersforskarnas material upplever Tjerenkov-strålningen materialet som uttänjt i två olika riktningar, vilket alltså ger upphov till ljuskoner med distinkta vinklar.
Genom sitt arbete har Philippe Tassin och hans kollegor dessutom visat på mer djupgående möjligheter med transformationsoptik.
– Hittills har transformationsoptik mest handlat om att ändra ljusstrålars banor genom ett material. Vi visar att det även går att påverka själva alstringen av ljus. Som ett exempel har vi löst problemet med Tjerenkov-ljuskonerna för partiklar med stor rörelsemängd, förklarar Philippe Tassin.
Transformationsoptik kan bland annat även användas för design av material som koncentrerar eller absorberar ljus oerhört effektivt, vilket är användbart inom solkraft. Kopplingen till Einsteins rumtid gör det också möjligt att designa material som simulerar kosmologiska fenomen, till exempel svarta hål.
Resultaten kommer från en forskningssamarbete mellan Chalmers och Vrije Universiteit Brussel. Projektet finansierades av styrkeområde Nanovetenskap och nanoteknik vid Chalmers och Research Foundation-Vlaanderen i Belgien.
Länk till artikeln: Controlling Cherenkov Radiation with Transformation-Optical Metamaterials
