[논문 리뷰] The new microscopic Vavilov-Cherenkov radiation theory

S. G. Chefranov|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 30.

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한 줄 요약

이 논문은 아브라함 전기역학에서 유도된 힘 밀도 F_A = 0.5∇×(P×E)에 의해 유도되는 매개변수 공진에 기반한 Vavilov-Cherenkov 방사선(VCR)의 새로운 미시적 이론을 제안한다. 여기서 P는 빠른 음전하 입자가 유도하는 매질의 극화이다. 이 이론은 이전의 매크로스코픽 또는 양자 이론보다 실험 관측과 더 잘 부합하는 새로운 임계 조건 |v| > c/n_* (n_* > n > 1) 를 도입한다.

ABSTRACT

It is proposed the new microscopic theory of Vavilov-Cherenkov radiation (VCR), emitted directly by medium in non-equilibrium state, arising due to the interaction of medium with a sufficiently fast charged particle. Contrary to the macroscopic VCR theory of Tamm-Frank and quantum VCR theory of Ginzburg, we establish the new VCR parametric resonance mechanism and the new threshold of VCR effect, which is better corresponding to the VCR observations. We show that counting of the, known from Abraham's electrodynamics, force density F_A=0.5rot[PE] (P is the polarization vector of the medium in locally non-equilibrium anisotropic state, arising due to the non-stationary electric field E of particle, moving with the constant speed v) defines the possibility of parametric resonance excitation of the transversal to E polarization waves P. We get that the condition of exponential growth with time of the amplitude of the wave P, providing the realization of VCR effect, is |v|>v_th=c/n_*, where c is the light speed in vacuum, (n_*)>n>1, and n_* is the refraction index of the isotropic medium in the equilibrium state.

연구 동기 및 목표

• 기존의 매크로스코픽 또는 양자 이론보다 실험 관측 결과를 더 잘 설명하는 Vavilov-Cherenkov 방사선의 미시적 이론을 개발하기 위해.
• 빠른 음전하 입자가 유도하는 비평형, 이방성 매질에서 VCR을 일으키는 물리적 메커니즘을 규명하기 위해.
• 매질의 局부 비평형 상태에서의 반응을 고려한 VCR의 새로운 임계 조건을 유도하기 위해.
• 아브라함의 힘 밀도 F_A = 0.5∇×(P×E) 가 횡방향 극화파의 매개변수 공진을 가능하게 하는 역할를 규명하기 위해.
• 비평형 극화 역학을 통합함으로써 이론적 예측을 관측된 VCR 현상과 조율하기 위해.

제안 방법

• 아브라함 전기역학에서 유도된 힘 밀도 F_A = 0.5∇×(P×E) 를 도출하며, 여기서 P는 국소적으로 비평형 상태인 이방성 매질의 극화 벡터이다.
• 일정한 속도 v 로 운동하는 빠른 음전하 입자가 매질과 상호작용하여 비정적 전기장 E 와 극화 P 를 유도하는 것을 분석한다.
• 운동하는 입자의 시간에 따라 변하는 E장에 의해 유도되는 횡방향 극화파 P 의 매개변수 공진 메커니즘을 규명한다.
• P파의 진폭이 지수적으로 증가하는 조건을 적용하여 VCR 발생의 임계 조건을 도출한다.
• 평형 상태에서의 매질의 굴절률 n_* 를 사용하여 새로운 임계 조건 v_th = c/n_* 를 정의한다.
• 새로운 임계 조건을 고전적 Tamm-Frank 이론과 양자 Ginzburg 이론과 비교하여, 관측 결과와의 일치도가 향상됨을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빠른 음전하 입자가 유도하는 비평형 매질에서 Vavilov-Cherenkov 방사선의 미시적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 아브라함의 힘 밀도 F_A = 0.5∇×(P×E) 는 매질 내 극화파의 자극에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 실험 관측 결과와 부합하는 VCR의 정확한 임계 조건은 무엇인가?
• RQ4 왜 매크로스코픽 이론과 양자 이론은 관측된 VCR 현상을 완전히 설명하지 못하는가?
• RQ5 평형 상태에서의 굴절률 n_* 가 VCR의 임계 조건에 어떻게 영향을 주는가?

주요 결과

• 새로운 이론은 빠른 음전하 입자의 시간에 따라 변하는 전기장에 의해 유도되는 매개변수 공진 메커니즘을 규명한다.
• VCR의 임계 조건은 |v| > c/n_* 로 결정되며, 여기서 n_* 는 매질이 평형 상태일 때의 굴절률이다.
• v_th = c/n_* 는 고전적 Tamm-Frank 또는 양자 Ginzburg 임계 조건보다 실험 관측 결과와 더 잘 부합됨을 확인하였다.
• 힘 밀도 F_A = 0.5∇×(P×E) 는 횡방향 극화파 P 의 자극에 필수적이며, 그 진폭의 지수적 증가를 가능하게 한다.
• 이 이론은 매크로스코픽 또는 양자장 근사에 의존하지 않고, 매질 내 비평형 극화 역학의 직접적인 결과로 VCR을 설명한다.
• 굴절률 n_* > n > 1 이 보장되어 있기에 새로운 임계 조건은 고전적 위상 속도 임계 조건보다 높으며, 관측된 VCR 발생 시점과 더 잘 일치한다.