קרינת צ'רנקוב - Cherenkov radiation היא המקבילה של "בום על קולי" עבור אור. קרינה זו נוצרת על ידי חלקיקים העוברים את מהירות האור בתוך תווך כלשהו. מעבר לעניין התאורטי, האפקט משמש לפיתוח כלים מחקריים חשובים, שאף זיכו את מגלהו, הפיזיקאי הרוסי פאבל צ'רנקוב, בפרס הנובל. במחקר חדש [1] שנערך במעבדתו של עידו קמינר מצוות עמותת "מדע גדול בקטנה", יצרו החוקרים את אפקט צ'רנקוב הקוונטי, בעזרת אלקטרונים בודדים ולייזר. זהו צעד פורץ דרך, שכן עד כה הקונצנזוס המדעי היה שניתן לתאר את אפקט צ'רנקוב ללא שימוש בתורת הקוונטים, וכאן לראשונה נמדדו אפקטים שלא ניתן להסביר באופן קלאסי. המחקר יכול להיות שער לעולם חדש של כלֵי מחקר חזקים, המאפשרים דימות בסקלות קוונטיות ומסייעים להבנה טובה יותר של העולם הקוונטי.

בום על-קולי נוצר כאשר גוף כלשהו, למשל מטוס קרב, עובר את מהירות הקול. במצב זה גלי הקול המתקדמים לפני המטוס נדחסים זה אל זה, כך שעוצמתם גדלה. ההפרש הגדול (בפיזיקה, תופעה זו מכונה "אי רציפות") בין הלחץ בסביבת אף המטוס ללחץ האוויר שסביבו, יוצר גל הלם שנשמע לאוזנינו כמו פיצוץ.

המקבילה של בום על-קולי עבור גלי אור (״בום על-אוֹרי״) נקראת קרינת צ׳רנקוב, [2] והיא מתרחשת כאשר חלקיקים עוברים את מהירות האור. 

ישנם חומרים, כמו זכוכית או מים, שבהם פוטונים (חלקיקי אור) נעים במהירות נמוכה יותר ממהירות האור בריק, בעוד חלקיקים אחרים העוברים בהם, כמו אלקטרונים, יכולים לנוע במהירות הדומה למהירותם בריק. כלומר, בתוך חומרים אלו, החלקיקים שאינם פוטונים נעים במהירות גבוהה יותר מהפוטונים. למרות שאולי נדמה כך, הדבר אינו עומד בסתירה לתורת היחסות הפרטית, שלפיה שום דבר לא יכול לנוע מהר ממהירות האור בריק. אין כאן סתירה מאחר שחלקיקים אלו עדיין נעים לאט יותר מאשר מהירות האור בריק.

כדי שקרינת צ׳רנקוב תיווצר צריך שהאור ינוע לאט מספיק, ושהחלקיקים ינועו מהר מספיק. לדוגמה, אלקטרונים במיקרוסקופ אלקטרוני טיפוסי מגיעים לכ-70% ממהירות האור. מהירות האור בתוך זכוכית היא כ-67% ממהירותו בריק, ובמים היא כ-75% ממהירות האור בריק. לכן, אלקטרונים במיקרוסקופ אלקטרוני כזה יוכלו לפלוט קרינת צ'רנקוב בזכוכית אך לא במים.

למרות חשיבותו של האפקט, התכונות הקוונטיות שלו נזנחו לחלוטין, והקונצנזוס במשך עשרות שנים היה שהצדדים הקוונטיים של האפקט אינם משמעותיים.

לפני שנבין כיצד משחזרים את אפקט צ׳רנקוב במעבדה נגדיר כמה תכונות חשובות של גלים. הגודל של גל ברגע נתון - בין אם מדובר במיתר רוטט בגיטרה, גל בים או אלקטרון בתיאור הקוונטי - הוא פונקציה של התדירות (הקצב שבו הוא מתנודד) שלו, ושל תכונה נוספת הנקראת פאזה (מופע, בעברית). אם תדמיינו גל רוטט החולף במיתר גיטרה (איור 1), התדירות תהיה מספר הפעמים שהגל חוזר על עצמו ליחידת מרחק, והפאזה תהיה מיקום הפסגות של החזרות הללו יחסית לנקודת תחילת הגל. 

איור 1: הדגמה של מופעים ואמפליטודות שונות. אפקט צ'רנקוב הקוונטי דורש תיאום מופע (הגרף השמאלי העליון)

כמו שהסברנו לעיל - כדי לחזור על אפקט צ׳רנקוב במעבדה, יש לגרום לאלקטרונים לעבור את מהירות האור בחומר. בתיאור הקוונטי, אלקטרונים הם גלים - ממש כמו מיתרים רוטטים בגיטרה - שמהירותם נתונה על ידי מהירות התקדמות הגל. כאשר אנחנו מעלים את מהירות האלקטרונים, קצב שינוי הפאזה שלהם יגדל - ובשלב כלשהו ישתווה לפאזה של גלי האור בחומר. בנקודה זו נדע שמהירותם של האלקטרונים שווה למהירות הפאזה של הפוטונים, שזו בדיוק הנקודה שבה צפוי להתרחש אפקט צ׳רנקוב. במילים אחרות, כאשר הפאזה של האלקטרונים שווה לזו של הפוטונים (בפיזיקה, מצב זה נקרא ״תיאום פאזה״), יתרחש אפקט צ׳רנקוב. 

במחקר חדש שנערך במעבדתו של עידו קמינר בטכניון, בהובלת רפאל דהן וסער נחמיה, הצליחו החוקרים לשחזר בדיוק את תיאום המופע הזה בין האלקטרון לפוטון - ובכך לשחזר את אפקט צ׳רנקוב במעבדה עבור חלקיקים קוונטיים (האלקטרונים). גם בניסויים קודמים נצפה האפקט עבור אותם אלקטרונים, אך עד היום לא הצליחו לראות את ההשפעה של ההתנהגות הקוונטית הגלית שלהם. כדי לתאם בין הפאזות כיוונו החוקרים קרן לייזר בזווית מסוימת מאוד ביחס לאלקטרון, שעובר בצמוד לפריזמה בתוך מיקרוסקופ אלקטרונים; באופן זה נוצרה תגובה עוצמתית בין האלקטרון והפוטון, שגרמה לאלקטרון לפלוט קרינת צ'רנקוב ובו זמנית לבלוע אותה ואת אור הלייזר.

מעבר לחדשנות בביצוע הניסוי עבור חלקיקים קוונטיים, הניסוי מאושש באופן חדש תחזית שניתנה על ידי אלברט איינשטיין, שניתנה ב-1916. האנרגיה של אלקטרונים יכולה לעלות או לרדת רק בהפרשים קבועים. כאשר גוברת או פוחתת האנרגיה של אלקטרון כלשהו, זה קורה כתוצאה של בליעה או פליטה של פוטון שהאנרגיה שלו שווה בדיוק להפרש האנרגיות בין מצב הבסיס למצב החדש. לפי איינשטיין, במצבים אלו חייבת להתרחש סימטריה; על כל פוטון שפלט האלקטרון יש הסתברות זהה לבליעה של פוטון באנרגיה דומה. כאן, באופן ייחודי, האלקטרון גם בולע וגם פולט פוטון בו זמנית. במילים יותר קוונטיות נאמר שהאלקטרון נמצא בסופרפוזיציה של שני מצבים: אלקטרון שבלע פוטון ואלקטרון שפלט פוטון. לאורך התהליך, הסופרפוזיציה הזו מתרחשת פעמים רבות כל כך שהתופעה זכתה לכינוי ״מסרק קוונטי״.

איור 2: ספקטרום האנרגיה של האלקטרון לאחר פליטת וקליטת פוטונים רבים

גילוי מרתק זה הוא שער לעולם חדש של טכנולוגיות וכלים מחקריים, ומלמד שוב שבעולם המדע אפשר לסתור גם קונצנזוס של עשרות שנים. השיטה המדעית מבוססת על עובדות, ואם הניסוי תומך בעובדות שסותרות את הקונצנזוס, הוא יכול לסתור גם אמונה בת שנים רבות.

לבעלי רקע בתחום - הסבר על המקור הפיזיקלי של האפקט:

בעוד בתיאור הקוונטי, אור מתואר על ידי חלקיקים המכונים ״פוטונים״, בתיאור הקלאסי אור הוא גל של שדה חשמלי ומגנטי המתנודד בניצב לכיוון התקדמות קרן האור [2]. אם תדמיינו שאתם מסתכלים על קרן אור הבוקעת ממקור כלשהו ישירות אליכם (קרן לייזר היא דוגמה טובה - אבל לא לנסות את זה בבית), השדה החשמלי והמגנטי ינועו מעלה-מטה על מישור שמאונך לכיוון התקדמות הקרן (ראו איור). לכיוון התנודה על המישור הזה קוראים בפיזיקה "קיטוב" [3]. קרינת צ׳רנקוב נוצרת תמיד עם גלי אור מקוטבים בכיוון אחד (השדה החשמלי של כולם מצביע לאותו כיוון). כדי שקרינה כזו תיווצר, מעבירים חלקיק טעון בתוך סוג של חומר המכונה "תווך דיאלקטרי".

לעומת חלקיק אור, כאשר חלקיק טעון כמו אלקטרון נע בתווך דיאלקטרי במהירות הגבוהה ממהירות האור בתווך, צפיפות הקיטוב שנוצרת לפני החלקיק הטעון שונה מזו הנוצרת מאחוריו, מה שמוביל לפליטה של אור.

באופן ייחודי, אותו אלקטרון גם בולע פוטון וגם פולט פוטון בו זמנית! אחרי תהליך בליעה/פליטה יחיד האלקטרון נמצא בשני מצבים שונים בו זמנית - אלקטרון שאיבד אנרגיה לאחר שפלט פוטון, ואלקטרון שספג אנרגיה לאחר שבלע פוטון. לאורך התהליך - אותו אלקטרון מתפצל שוב ושוב ולבסוף נמצא בו זמנית באלפי (!) מצבים שונים (החתול של שרדינגר מתהפך בקברו. או שלא).

המצב הקוונטי הזה נקרא "מסרק אנרגטי" בשל הדמיון בין המצבים השונים של האלקטרון, כל אחד עם אנרגיה שונה, לשיניים של מסרק.

התופעה הקוונטית הזו התחבאה כל השנים בתוך אפקט צ'רנקוב המפורסם, וזה מרתק לראות אותה נחשפת בניסוי החדש. עד היום, קרינת צ'רנקוב הוסברה על ידי הפיזיקה הקלאסית בלבד, וזו הפעם הראשונה שבה נמצאה תלות ישירה בין קרינת צ'רנקוב לפיזיקה הקוונטית המסתתרת באלקטרון.

תוצאה זו היא הגשמה של מסע ארוך בעקבות החידה לגבי האופי הקוונטי של אפקט צ'רנקוב, שהתחילה בדוקטורט של גינזבורג ב-1940, ונעלמה לתוך קונצנזוס ארוך שנים שסבר כי אין צורך בתיאור קוונטי לתופעה. קונצנזוס זה התחיל להשתנות ב-2016, בשתי עבודות [4] שהראו תחזיות קונקרטיות לגבי האופי הקוונטי של אפקט צ'רנקוב, והגיע לשיא במדידה שהראתה תלות בגליות של האלקטרון. יתר התחזיות הקוונטיות עוד לא נמדדו.

המחקר פותח דלת להתקדמויות במאיצי חלקיקים: ספציפית, המיקרוסקופ האלקטרוני הופך מכאן ולהבא לפלטפורמה לתכנון ובחינה של מאיצי אלקטרונים מזעריים, הנקראים גם Accelerators on Chip) ACHIP).

בנוסף, הניסוי פיתח שיטה חדשה לייצור מקורות קרינה, ושיטה זו יכולה להוביל למקורות אור חדשים.
מנקודת המבט של מחקר בסיסי, העבודה מסייעת להבנה של העולם הקוונטי, ובמיוחד לערבוב האופי הגלי והחלקיקי של אלקטרונים בזמן שהם מבצעים אינטראקציה עם אור. הערבוב הזה הוא בבסיס של תהליך הקריסה הקוונטי - שהבנה שלו היא השאלה הפתוחה הגדולה ביותר ביסודות המכניקה הקוונטית שנותרה.

מקורות:

[1] קישור למאמר

[2] קרינת צ'רנקוב

[3] קיטוב

[4] א. המאמר הראשון

      ב. המאמר השני