체렌코프 복사

물리적 기제

체렌코프 복사는 하전입자가 유전체 매질 속에서 그 매질의 빛의 위상속도보다 빠르게 지나갈 때 발생한다. 기준이 되는 것은 군속도가 아니라 위상속도이며, 문턱 조건은 v > c/n, 곧 β > 1/n이다. 방출광은 입자의 진행 방향을 축으로 하는 원뿔 모양으로 퍼지고, 원뿔의 각은 매질의 굴절률 n과 입자 속도에 따라 cosθ = 1/(nβ)로 주어진다.

프랑크-탐 공식은 단위 경로 길이와 단위 진동수당 방출되는 에너지를 준다. 체렌코프 광은 대략 펨토초 규모의 펄스로 나오며 편광되어 있다. 스펙트럼이 연속적이고 짧은 파장에서 세기가 커진다는 점에서 플루오레선스나 불연속 선스펙트럼과 구별된다.

발견의 역사

현상은 실험 이전에 이론적으로 예견되었다. 올리버 헤비사이드(1888~1889)와 아르놀트 좀머펠트(1904)가 그 가능성을 지적했고, 마리 퀴리는 1910년 진한 라듐 용액에서 옅은 푸른 빛을 보았으나 본격적으로 규명하지 않았다. 뤼시앵 말레는 1926~1929년 라듐이 물에서 일으키는 발광을 기술했다.

체계적인 실험 연구는 1934년 모스크바 소련 과학아카데미 물리연구소(레베데프 연구소)에서 시작되었다. 세르게이 바빌로프의 지도 아래 일하던 파벨 체렌코프는 증류수·파라핀·알코올 등 열여섯 가지 순수 액체를 실험하여 방출광이 주로 청자색이고 액체의 종류에 따라 달라지지 않으며 요오드화칼륨이나 질산은 같은 형광 억제 물질로도 사라지지 않는다는 사실을 밝혔다. 1934년 바빌로프는 감마선에 의해 감속된 전자의 제동복사로 이 빛을 설명하려 했으나, 1936년 체렌코프가 자기장의 영향을 실험하여 빛이 액체 속에서 생성된 전자에서 나온다는 점을 보이는 한편 제동복사 가설과는 맞지 않는다는 것을 드러냈다.

1937년 일리야 프랑크와 이고리 탐이 특수상대성이론의 틀에서 이론적 해명을 내놓아 입자의 운동 방향을 따라 진행하는 빛의 원뿔을 예측했고, 1938년 체렌코프가 원뿔 각과 세기를 확인했으며 콜린스와 라일링이 독립적으로 이를 재확인했다. 세 사람은 1958년 노벨 물리학상을 공동 수상했다.

검출기로의 발전

광전자증배관의 발달로 단일 입자 검출이 가능해졌다. 1951년 존 V. 젤리는 증류수에서 단일 고속 하전입자의 체렌코프 방출을 검출했고, 이후 1950년대 중반까지 체렌코프 검출기가 입자물리학과 우주선 연구로 퍼졌다.

구별과 적용

체렌코프 복사는 하전입자가 다른 하전입자에 의해 감속될 때 나오는 제동복사와, 좁은 불연속 스펙트럼 대역에서 일어나는 플루오레선스와 구별된다.

체렌코프 검출기는 문턱형과 영상형(미분형·환영상형)으로, 또 방사체 매질(기체·에어로젤·액체·고체·메타물질)에 따라 분류된다. 젤리는 초점형과 비초점형으로 나누었다. 섬광계수기나 반도체 검출기와 대비되며, 약 175 keV 이하의 저에너지 입자에는 쓸 수 없다.

1955년 에밀리오 세그레와 동료들은 베바트론에서 액체를 채운 체렌코프 검출기로 반양성자를 식별했다. 검출기의 광 문턱을 넘는 것은 파이온뿐이었고 반양성자는 넘지 못했다는 점이 판별의 근거였으며, 첫 증거는 1955년 9월 21일 얻어졌다.

대형 물 체렌코프 검출기인 가미오칸데 II는 1987년 초신성에서 온 중성미자 폭발을 검출하고 태양 중성미자 결손을 확인했다. 슈퍼카미오칸데는 초순수 물 50,220톤을 쓰며 고리 모양의 선명도로 뮤온과 전자를 구별한다. VERITAS·H.E.S.S.·MAGIC은 영상 대기 체렌코프 기법을 쓰고, HAWC·피에르 오제 천문대·슈퍼카미오칸데·서드베리 중성미자 관측소·아이스큐브는 물이나 얼음을 이용한 체렌코프 검출을 한다. 이 기법은 개방 수조형 원자로의 푸른 빛을 설명하고, 사용후핵연료 검증 등 원자력 사찰에도 쓰인다.