Экспериментально проверен метод измерения поляризации рентгеновского излучения, теоретические основы которого разработали российские физики.

Международная группа исследователей экспериментально проверила метод обнаружения и измерения поляризации рентгеновского излучения, предложенный три года тому назад и теоретически обоснованный сотрудником НИИЯФ МГУ Николаем Кабачниковым совместно с коллегой из Санкт-Петербургского университета Андреем Казанским, ныне работающим в Испании. Эксперимент проводился в международном исследовательском центре «Elettra Sincrotrone» в Триесте (Италия) на лазере на свободных электронах FERMI. Отчёт об исследовании опубликован на днях в журнале Nature Communications.

Схема эксперимента. Струю газообразного гелия вводят в область слияния лучей рентгеновского лазера с исследуемой поляризацией и инфракрасного лазера с заданной поляризацией. Вылетающие электроны регистрируются с получением спектрограммы («карты» скоросте

По подобным экспериментальным трёхмерным спектрограммам, которые показывают распределение электронов, выбитых из атомов гелия импульсами ЛСЭ, учёные могут измерить циркулярную поляризацию импульсов ЛСЭ.

Николай Кабачник, ведущий научный сотрудник НИИЯФ, д. ф.-м. н., один из авторов метода.

Международный исследовательский центр «Elettra Sincrotrone» в Триесте (Италия). Вид с воздуха (Фото Gabriele Crozzoli, http://www.elettra.trieste.it)

Экспериментальный зал в центре «Elettra Sincrotrone» (Фото , Stefano Dal Pozzolo, http://www.elettra.trieste.it)

Поляризация – это хорошо известное свойство электромагнитного излучения, к которому относятся и рентгеновские лучи, заключающееся в определенной ориентации электромагнитного поля. Если вектор электрического поля волны находится все время в одной плоскости, то говорят о линейной поляризации. Если вектор вращается по окружности, то говорят о круговой поляризации. Вращение может происходить по часовой стрелке, либо против часовой стрелки, соответственно различается право- и лево- поляризованные лучи. 

Рентгеновские лучи, имеющие очень малую длину волны, - важный инструмент исследований в различных областях химии, физики, биологии и прикладных наук на атомарном и молекулярном уровне. Чтобы увидеть объект, надо иметь длину волны излучения меньше его размеров. Более длинная волна маленький объект просто огибает из-за дифракции. Для таких исследований разрабатываются специальные очень мощные лазеры, как, например, строящийся в Германии Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (European XFEL).

 Для некоторых экспериментов принципиально важна определенная поляризация рентгеновского излучения. Однако традиционные поляриметры и поляризационные фильтры просто не существуют для пучков такой мощности. Именно поэтому так необходим новый метод детектирования и измерения поляризации.

В частности, рентгеновские лучи круговой поляризации – очень удобный инструмент для изучения биологических молекул. Дело в том, что многие биологически важные молекулы могут существовать в двух зеркально-симметричных формах: правой или левой. Это свойство называют хиральностью. Одна из самых больших загадок природы: почему всё живое на Земле состоит из молекул, в состав которых входят аминокислоты только левых форм, а правых – нет. Причем при синтезе аминокислот в лаборатории всегда получается одинаковое количество левых и правых молекул. И наоборот, сахара в живых существах встречаются только правых форм. Существуют теории, связывающие преимущественно правые (или левые) формы молекул живых существ, с происхождением жизни на Земле. А чтобы исследовать это явление, надо использовать излучение с круговой поляризацией, только оно оказывается чувствительным к подобной асимметрии молекул. Возможно, это прольет свет на тайну возникновения жизни на Земле.

Такая особенность нашего организма приводит к различному воздействию на него лекарственных средств с разной хиральностью. Правые и левые молекулы одного и того же вещества обладают, как правило, разной биологической активностью, то есть в зависимости от того, правое ли вещество входит в лекарство или левое, действовать оно будет по-разному. Поскольку до 70% лекарств, продающихся в аптеках, содержат хиральные компоненты, при поиске новых фармацевтических препаратов очень важно уметь различать правые и левые формы молекул. Так что рентгеновские лучи круговой поляризации найдут применение и в фармацевтике. 

Интересно, что более 800 молекул, которые используются в парфюмерной промышленности, тоже хиральны. И от того, содержит ли парфюмерный продукт правую молекулу или левую, зависит его запах. Молекула одной ориентации может дать вам приятный аромат, а другая, такая же по составу, – отвратительный запах.

В качестве примера небиологических исследований можно привести изучение асимметрии взаимодействия рентгеновских лучей круговой поляризации с магнетиками, что может помочь в разработке сверхминиатюрных магнитных носителей информации, магнитной памяти для компьютеров.

Предложенный российскими физиками метод измерения поляризации основан на измерении дихроизма, явления разной величины поглощения право- и лево-поляризованного излучения. В природе дихроизм встречается довольно часто и хорошо известен. Например, по-разному поглощает право- и лево- поляризованный свет исландский шпат. 

Для измерения степени круговой поляризации рентгеновский импульс лазера на свободных электронах направляют на мишень – атомы гелия. Под воздействием рентгена из атома гелия вырывается электрон и образуется ион. Ион и электрон «помнят» поляризацию рентгена, но мы её не можем увидеть, как не можем увидеть изображение на фотоплёнке до её проявки. Чтобы «проявить» вращение, которое рентгеновский импульс передал системе электрон-ион, мишень одновременно освещают инфракрасными импульсами мощного лазера с известной круговой поляризацией. Дело в том, что инфракрасные лучи гораздо легче и поляризовать, и измерять их поляризацию. Мы можем получить 100-процентно правый или 100-процентно левый поляризованный инфракрасный пучок. Взаимодействие выбитых фотоэлектронов с этим пучком будет зависеть от того совпадает ли их вращение с поляризацией пучка. Узнать о том, вращаются ли поля в рентгеновском пучке и в инфракрасном в одну сторону или в противоположные, можно по тому, как вылетают электроны, каково их распределение по углу вылета. Сравнение эксперимента с теорией позволяет определить степень круговой поляризации рентгеновского пучка.

По материалам European XFEL (Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах), НИИЯФ МГУ(1,2)