Cuando la materia va más deprisa que la luz: efecto Cherenkov

A veces se repite como un mantra uno de los postulados de la Relatividad Especial que afirma lo siguiente:

La máxima velocidad de transmisión de la información es la velocidad de la luz, en el vacío

Transmisión de la información, en física, es lo mismo que decir cualquier tipo de interacción existente. Y la coleta “en el vacío” es muy importante. 

Porque la velocidad de la luz en el vacío sí que es máxima y ningún objeto cuya masa sea distinta de cero la puede alcanzar sin invertir una cantidad infinita de energía para lograrlo, cosa que no es posible.

Pero en un medio distinto del vacío, no tiene por qué suceder. Y de hecho, uno de los parámetros más importantes en la óptica es el “índice de refracción” de un material, que sale del cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en ese medio. 

Cuanto más se parezca a 1, más se parece ópticamente al vacío. 

Luego podríamos entrar a discutir sobre la dependencia del índice de refracción con determinados parámetros físicos como la densidad y demás, pero para que quede claro: no hay ninguna ley física que impida que algo vaya más deprisa que la luz en un medio distinto del vacío.

 Y esto modifica las trayectorias de la luz debido al principio de Fermat, que establece que la luz recorre siempre un camino extremal (es decir, o es máximo o es mínimo).

Y como las cosas que no están prohibidas físicamente suceden, esto no podría ser menos. Y cuando una partícula en un medio distinto del vacío va más deprisa que la luz en ese medio se produce el efecto Cherenkov, que es una onda de choque luminosa.

 El efecto es muy similar al de romper la barrera del sonido.

F-22 Raptor rompiendo la barrera del sonido en la base de Edwards

Cuando un objeto que emite ondas sonoras, por ejemplo, una ambulancia, se va desplazando, esas ondas podemos imaginar que como el sonido se propaga en todas las direcciones, son ondas esféricas que terminan alcanzando a quien las oye.

Si la velocidad de propagación es menor que la del sonido, los frentes de onda nuevos que se crean adelantan al objeto.

 Pero si la supera, un caza por ejemplo, entonces el sonido no puede propagarse más deprisa y se forma una onda de presión tremenda desde el morro del caza hacia atrás en forma de cono (se llama de hecho cono de Mach) y suena el famoso estampido sónico que parece un trueno (de hecho, los relámpagos, al ionizar el aire y producirse la ruptura dieléctrica provocan la ruptura dela barrera del sonido. 

Al transmitirse tanta corriente se produce un súbito calentamiento del aire que deriva en una onda de choque). 

En el caso de los cazas, debido a la llamada singularidad de Prandtl-Glauert se forma además condensación alrededor del punto en el que se ha roto la barrera del sonido.

De forma análoga a lo que ocurre con el sonido, sucede también con los frentes de onda luminosos.

 Si una partícula es capaz de, en un medio dieléctrico distinto del vacío, ir más deprisa que la luz, entonces los frentes de onda formarán un cono similar al del estampido sónico y producirán un efecto parecido, emitiendo fotones en la dirección perpendicular al cono de Mach. E

sto es lo que se conoce como efecto Cherenkov y la luz producida se llama radiación de Cherenkov.

Visualización del cono de Mach 
como envolvente de los frentes de onda superlumínicos

La radiación de Cherenkov es la responsable
 del color azulado que tienen los reactores nucleares
 y las piscinas de combustible gastado (spent fuel pools).

La radiación de Cherenkov 

da el tono azulado a este reactor nuclear

Cuando una partícula cargada atraviesa un material, perturba los átomos y sus electrones haciendo que los átomos se polaricen y luego vuelvan a su posición de equilibrio cuando se restaura el medio, el electrón emite el exceso de energía en forma de fotones, que interfieren destructivamente y no se detectan. 

Pero si la partícula iba lo suficientemente rápido, la interferencia es constructiva y por tanto se intensifica en vez de atenuarse, resultando en que vemos la luz emitida que, en este caso, es de color azul.

Como ejemplo de aplicaciones prácticas de la radiación de Cherenkov tenemos los telescopios de neutrinos como el Ice Cube de la Antártida.

 Estos telescopios detectan a los esquivos neutrinos solares que atraviesan el planeta y llegan a sus detectores, situados a gran profundidad. 

Los detectores son capaces de detectar a los neutrinos gracias a la radiación de Cherenkov.

Se encuentran tan profundos y descartan las partículas que no vengan desde debajo del suelo para asegurarse que han tenido que atravesar toda la Tierra, por tanto, habrán absorbido las que no son neutrinos (muones y otras).

 Y como el neutrino tiene carga, puede provocar radiación de Cherenkov que detectan los miles de fotomultiplicadores dispersos por los núcleos de hielo excavados. 

Los neutrinos no tienen carga eléctrica, solo interaccionan débilmente.

 Los muones y otras partículas de los rayos cósmicos sí que tienen carga eléctrica.

Este tipo de construcción se emplea también en experimentos como el Super-Kamiokande, un observatorio de neutrinos japonés.

 El principio esencial es el mismo, detección mediante radiación de Cherenkov. En este caso, el Super-Kamiokande está a 1 km bajo la superficie de la mina de Mozumi, en la ciudad de Hida. 

Consiste en un tanque de 50000 toneladas de agua ultra pura rodeada de más de 11.000 tubos fotomultiplicadores, para captar la radiación de Cherenkov que pudieran producir los neutrinos al interaccionar con los electrones de las moléculas de agua.

Detalle del interior del Super Kamio-Kande
 donde 

se aprecian los 
tubos foto-multiplicadores.

Fe de erratas

Por error indiqué que los neutrinos tienen carga cuando en todos los otros post que he indicado puse correctamente que no tienen, obviamente, si tuvieran podrían interaccionar electromagnéticamente.

 Así que eso, ha sido un error de edición y ahora explico por qué los neutrinos pueden interaccionar y provocar la radiación de Cherenkov.

La cosa es más o menos así: Un neutrino llega y se encuentra con un átomo de deuterio (un hidrógeno que además de un protón, tiene un neutrón extra). Esta interacción débil provoca una desintegración beta, el neutrón del deuterio se convierte en protón y se emite un electrón de alta energía, que es la partícula cargada que provoca la radiación de Cherenkov.

Los muones que pudieran provocar radiación de Cherenkov provocan una señal mucho más intensa, por eso se intentan evitar y se descartan los que inciden desde la superficie y en el caso del Ice Cube, los neutrinos son capaces de atravesar el planeta sin dificultad, en cambio los muones cuya vida media es de unos microsegundos, no llegan. 

En el caso del Super Kamio-Kande, los eventos asociables a muones se descartan debido a la energía que tienen.

 Y pese a todo, son muy muy pocos eventos al día, por eso se emplean tales cantidades de agua y detectores.

vía: Migui