Голубое свечение в воде вокруг ядерного реактора — это свет, который рождается, когда заряженная частица обгоняет свет в этой среде. Эффект открыл Павел Черенков в 1934 году, а теорию дали Игорь Тамм и Илья Франк. С тех пор черенковское излучение стало рабочим инструментом: от детекторов частиц до астрофизики. Но до сих пор его когерентное усиление — когда вклады многих частиц складываются синхронно, как голоса в хоре, а не как шум толпы — ограничивалось терагерцовым диапазоном. Причина в размерах пучков: миллиметровые радиусы и пикосекундные длительности не позволяли фазам отдельных электронов совпадать на высоких частотах.

Плазменные ускорители нового поколения обещают пучки с недостижимыми ранее параметрами: энергия до 10 ГэВ, длительность единицы фемтосекунд, поперечный размер десятки микрометров. Это открывает путь к когерентному черенковскому излучению в оптике и ультрафиолете. Авторы новой работы построили аналитическую модель для трёх форм электронного сгустка: гауссовой, супергауссовой и цилиндрической с постоянной плотностью. Среда — гелий при нормальных условиях, его показатель преломления очень близок к единице (отличие порядка 10⁻⁵).

Для пучка с энергией 1 ГэВ (гамма-фактор 2000), числом электронов 10⁵, радиусом 20 мкм и длиной 1 мкм в гелии когерентное усиление простирается до энергий фотонов около 2 эВ (красный свет) для гауссовой формы. Для цилиндрического пучка с постоянной плотностью — до 10 эВ (ближний ультрафиолет). Супергауссовы пучки занимают промежуточное положение: при показателе степени 4 — до 4 эВ, при 10 — до 7 эВ, при 40 — почти как у цилиндра. Разница объясняется резкими краями плотности: они дают высокочастотные компоненты в Фурье-образе. Спектры цилиндрического и супергауссовых пучков осциллируют, периоды осцилляций связаны с длиной и радиусом пучка. Это позволяет по спектру восстановить геометрию сгустка.

Фотонный спектр на кольцевом детекторе (радиусы 1–2 мм) показывает, что когерентная часть на порядки превышает некогерентную. Тормозное излучение при длине гелиевой мишени 30 см даёт вклад того же порядка, что и минимальный когерентный черенковский сигнал, но его угловое распределение сконцентрировано в конусе 1/γ ≈ 0.5 мрад, тогда как черенковский угол около 8.7 мрад — их можно разделить.

Раньше когерентное черенковское излучение наблюдали только в терагерцовом и микроволновом диапазонах, так как пучки были слишком большими. Теперь показано, что ультракомпактные релятивистские пучки в газе с показателем преломления, близким к единице, дают когерентное черенковское излучение в оптике и ближнем ультрафиолете. Это новый инструмент для неинвазивной диагностики формы и размеров электронных сгустков в плазменных ускорителях; потенциально — компактные источники УФ-излучения. Хор электронов, поющих в унисон, становится слышен на новых частотах.