Radiación de Cherenkov en el reactor
La historia de la radiación de Cherenkov llena de orgullo a físicos rusos, ya que en este país fue oficialmente descubierta, estudiada y explicada. A fines del siglo XIX, Maxwell había establecido los cimientos de la teoría electromagnética, permitiendo el estudio y caracterización matemática de los fenómenos eléctricos y magnéticos. Las ecuaciones de Maxwell predicen que una carga eléctrica que acelera (cambia su velocidad) emite radiación, lo que fue espectacularmente verificado por Heinrich Hertz, iniciando una revolución en las comunicaciones que continúa hasta nuestros días.
En 1886, Hertz descubrió que al acelerar cargas eléctricas se produce radiación electromagnética, ondas que se propagan a la velocidad de la luz, lo que llevó al nacimiento las antenas así como el envío y recepción de señales inalámbricas.
La teoría de Maxwell y los experimentos de Hertz dejaban claro que para generar radiación una carga eléctrica debe acelerar.
Sin embargo, en 1888 el físico inglés Oliver Heaviside se cuestionó si una carga eléctrica podría emitir radiación sin acelerar, es decir, al moverse a velocidad constante. Heaviside publicó en 1889 un par de artículos en los que muestra que esto sería posible si la velocidad fuese mayor a la de la luz (la relatividad especial todavía no existía) [1]. Sin embargo sólo hablar de radiación producida por cargas a velocidad constante en una época en que ni siquiera el electrón había sido descubierto era casi una herejía y la idea de Heaviside pasó al olvido.
En forma independiente, el físico alemán Arnold Sommerfeld, el supervisor doctoral de lumbreras del siglo XX como Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli y Hans Bethe, se cuestionó qué pasaría si una carga eléctrica pudiera moverse más rápido que la luz. En 1904, Sommerfeld encontró que un electrón superlumínico emitiría radiación, a pesar de moverse a velocidad constante, muy similar a la idea de Heaviside [2]. Sin embargo, el año siguiente sería el famoso año maravilloso de Einstein y la teoría de la relatividad especial en 1905 estableció que nada puede moverse más rápido que la luz, dejando el estudio de Sommerfeld junto al de Heaviside en el baúl de los recuerdos.
Mientras la física teórica vivía una revolución, los laboratorios del mundo estaban maravillados con recientes descubrimientos como los rayos X, la radioactividad y fenómenos como la luminiscencia.
En el centro de este mundo estaba Marie Curie, estableciéndose como una de las grandes científicas del siglo XX y sorprendiendo al mundo con sus descubrimientos. Desde principios de siglo, los esposos Curie notaron un brillo azulado en botellas que contenían sales de radio (elemento cuyo descubrimiento le dio un segundo Premio Nobel a Madame Curie en 1911), sin embargo la recién descubierta radioactividad mantuvo muy ocupados a los Curie como para profundizar en este misterioso brillo que erróneamente identificaron como luminiscencia. A mediados de la década de 1920 el físico francés Lucien Mallet estudió el fenómeno en mayor detalle notando que el tenue brillo azulado era emitido por objetos transparentes cuando tenían una fuente radiactiva cerca; también midió su intensidad a varias frecuencias (energías) pero luego de publicar sus resultados perdió el interés [3].
El mismo año que Sommerfeld imaginaba partículas más rápidas que la luz, en una pequeña villa de la zona rural en el centro de Rusia nacía Pavel Cherenkov. Estudió física y matemáticas en la Universidad de Voronezh y luego de enseñar en una escuela, en 1930 se trasladó a Leningrado para realizar su doctorado. En 1932 comenzó su trabajo de tesis doctoral bajo la supervisión de Sergei Vavilov en luminiscencia activada por rayos gamma en líquidos. Vavilov era reconocido por sus pares como un tímido genio a quien todos querían escuchar ya que su intuición física le permitía reconocer cuándo un fenómeno tenía una importancia profunda. En 1934, Vavilov fue elegido director del recién establecido Instituto de Física Pyotr Lebedev en Moscú, donde se trasladó llevándose a Pavel a su nueva institución. Cherenkov es recordado como un estudiante promedio, sin mucha experiencia pero con mucha paciencia y con gran capacidad de análisis, muy crítico y riguroso con sus experimentos. Una combinación apropiada para dejar su huella en la historia de la física.
Al poco tiempo trabajando en el nuevo instituto, Pavel llamó la atención de su supervisor por la observación de un resplandor azul que no podía explicar.
Al igual que los Curie, Cherenkov interpretó su observación como luminiscencia, sin embargo le expresó a Vavilov que había algo extraño y encantador en este tenue brillo azulado. Vavilov supuso que era imposible que nadie hubiese observado este fenómeno antes, le aseguró a Pavel que los Curie deberían haberlo notado, pero curiosamente nadie lo había estudiado a fondo. Allí fue cuando Vavilov tuvo uno de sus momentos que lo identificaban: le pidió a su estudiante determinar todas las propiedades de esta luz azul asegurándole que esa radiación era algo más que simple luminiscencia. Con la paciencia y rigurosidad que lo caracterizaban y con el continuo apoyo de Vavilov, Cherenkov realizó varios experimentos para medir las características de esta radiación. Estos experimentos eran bastante tediosos y complejos, sin embargo los períodos que Pavel dejaba el laboratorio los usaba en acaloradas discusiones con su supervisor y con varios físicos teóricos del Instituto Lebedev. En particular, Ilya Tamm (director del departamento de física teórica) y un joven Igor Frank (también estudiante de Vavilov) se interesaron en las observaciones de Cherenkov. Uniendo fuerzas para intentar explicar teóricamente sus observaciones, se lanzaron a la caza de una nueva interpretación del efecto medido por Pavel. Luego de mucho trabajo, Frank y Tamm desarrollaron una fórmula matemática que podría describir la radiación de Vavilov-Cherenkov (como se le conoce en Rusia).
La fórmula de Frank-Tamm señala que la radiación es producida cuando una partícula eléctricamente cargada se mueve más rápido que la luz en un medio material y pierde energía, emitiéndola (por conservación de la energía) en forma de luz.*
¿Más rápido que la luz? Sí, más rápido que la luz en un medio material. La relatividad establece que nada puede moverse más rápido que la luz en el vacío, sin embargo en un líquido (y muchos otros medios materiales como el aire o el vidrio) la luz se mueve más lento. Las últimas tres palabras (en el vacío) son usualmente olvidadas en las frases que hablan de la velocidad límite de una partícula, pero son fundamentales: la relatividad especial establece que ninguna partícula puede moverse a más de 300.000 km/s (la velocidad de la luz en el vacío), sin embargo nada prohibe que una partícula, por ejemplo un electrón, se mueva más rápido que la luz en el agua, donde un fotón se mueve a sólo226.000 km/s. Es decir, un electrón puede moverse más rápido que un fotón en el agua y aun así respetar el límite impuesto por la relatividad. Este detalle crucial es el que permitió a Frank y Tamm elaborar su fórmula y darle una correcta interpretación.
Frank y Tamm se dieron cuenta que cuando un electrón atraviesa un medio material, este atraerá cargas opuestas (positivas) en su camino, este fenómeno se llama polarización. Luego, cada punto del camino recorrido por el electrón en el material se neutraliza rápidamente (se despolariza) y emite radiación a medida que el electrón se aleja.
Si esta radiación se mueve más rápido que el electrón en el material entonces la radiación emitida por cada punto se interfiere destructivamente, cancelando el efecto, es decir, no se observa radiación alguna emitida en el material.
Esto es parecido a un pato en una laguna que se mueve lentamente: ondas pueden verse en el agua emitidas en todas direcciones desde el lugar donde se mueve el pato, pero a grandes distancias el efecto desaparece porque las ondas se cancelan mutuamente.**
Al contrario, si el electrón se mueve más rápido que la radiación emitida a lo largo de su trayectoria entonces esta no alcanza a cancelarse y la radiación emitida en cada punto se suma a la anterior.
El electrón continúa su camino generando más y más radiación a su paso. Siguiendo con la analogía anterior, cuando el pato se mueve en cierta dirección en el agua deja una estela que se mueve con forma de trángulo (lo mismo produce un barco en movimiento).
Similar a la radiación de Cherenkov es el fenómeno que ocurre cuando un avión se mueve más rápido que el sonido, produciendo una fuerte onda formada por la suma de las anteriores denominada onda de choque, comúnmente denominada boom sónico.
Por esto la radiación descrita por la fórmula de Frank-Tamm es muchas veces llamada un boom luminoso, aunque el término puede ser inapropiado ya que no hay un“boom” sino que un “flash”.
Así como la estela producida por el pato en el agua sólo llegará hasta alguien ubicado delante del pato (alguien detrás del pato no recibirá la estela), la fórmula de Frank-Tamm predice que la radiación de Cherenkov no se emite en todas direcciones sino que sólo en la dirección de movimiento del electrón.
Asimetría de la radiación de Cherenkov en agua y benceno (adaptado*** de [4])
Esta característica permitiría verificar su fórmula por lo que Frank y Tamm sugirieron a Pavel diseñar un experimento intentando medir esta asimetría de la radiación. Cherenkov volvió a su laboratorio y diseñó un experimento capaz de medir esta asimetría; el resultado: todas las características predichas por Tamm y Frank fueron confirmadas por los experimentos. La fórmula de Frank-Tamm permite también calcular la frecuencia (energía) a la cual la radiación es más intensa. Esta fórmula señala que la radiación de Cherenkov es más intensa en el rango ultravioleta y azul del espectro, lo que explica el color del tenue brillo observado en las botellas por Marie Curie y Cherenkov, así como el intenso azul que hoy en día caracteriza a un reactor nuclear.
Eso explica el resplandor que tanta curiosidad me causó al ver aquel folleto de la CCHEN hace muchos años.
En la piscina de un reactor nuclear, rayos gamma producen pares electrón-positrón, los que al moverse más rápido que la luz en el agua emiten radiación de Cherenkov. Estos rayos gamma son continuamente emitidos en todas direcciones, por esto en un reactor se observa un resplandor continuo en vez de un destello.
El éxito de la colaboración entre teoría (Frank-Tamm) y experimento (Vavilov-Cherenkov) fue celebrado en la comunidad rusa cuando fueron comunicados en una serie de publicaciones [5,6,7], sin embargo para comunicar el descubrimiento al resto del mundo había que escribir un artículo en inglés. Vavilov tenía sólo 46 años, pero ya gozaba de gran prestigio y una posición estable por lo que velando por el reconocimiento de su estudiante, le propuso a Cherenkov que escribiera el artículo en inglés como único autor explicando sus experimentos. Este noble gesto ha sido siempre destacado por los científicos rusos, por lo que en Rusia siempre se habla del efecto Vavilov-Cherenkov, para reconocer la humildad de Sergei.
Cherenkov redactó un breve artículo titulado “Radiadión visible producida por electrones moviéndose en un medio a velocidades superiores a la de la luz”(Visible radiation produced by electrons moving in a medium with velocities exceeding that of light [4]) y lo envió a la prestigiosa revista Nature. Para su sorpresa y decepción, el trabajo fue recibido con escepticismo y rechazado por considerarse especulativo. Devastado ante el rechazo, Pavel encontró una vez más apoyo en su supervisor que lo animó a no darse por vencido ya que las grandes ideas en la física siempre encuentran obstáculos, por lo que esto podría ser una buena señal. Animado por Vavilov, Pavel envió su artículo esta vez a la prestigiosa revista estadounidense Physical Review, donde fue aceptado como una breve carta al editor, apenas una página. En este breve artículo, Cherenkov explica sus experimentos y observaciones así como la confirmación de la fórmula de sus colegas en el Instituto Labedev. Luego de publicarse en agosto de 1937, laboratorios de todo el mundo confirmaron sus resultados, lo que hizo famosos a Cherenkov, Frank y Tamm. Además Pavel propuso que la fórmula de Frank-Tamm podría invertirse y usarse para determinar la velocidad de una partícula cargada en un material al medir la radiación de Cherenkov.
Esto revolucionó la física de partículas y la astrofísica con el desarrollo de nuevos detectores de partículas usados hasta nuestros días.
Los detectores basados en el efecto Cherenkov permitieron medir partículas cargadas con una gran precisión y han sido uno de los más importantes desarrollos tecnológicos desde las cámaras de burbujas.
El nombre de Cherenkov quedó plasmado en detectores, métodos, y hasta los telescopios más modernos usados para estudiar los fenómenos más energéticos del universo (Cherenkov telescopes). En física de neutrinos, los enormes experimentos como IceCube y Super-Kamiokande funcionan también siguiendo la idea de Cherenkov.
Por el enorme impacto de su trabajo, Cherenkov, Frank y Tamm recibieron el Premio Nobel de Física en 1958 por el descubrimiento y la interpretación del efecto Cherenkov. El noble acto de Vavilov aseguró que su estudiante recibiera el merecido crédito por su arduo trabajo y además evitó un dolor de cabeza al Comité Nobel (no más de tres personas pueden recibir el premio).
En su discurso al recibir el Premio, Tamm destacó el importante rol de Vavilov en el estudio y comprensión del efecto que sólo en Rusia lleva su apellido.
El mismo Cherenkov siempre incluyó el nombre de su supervisor al describirlo como efecto Vavilov-Cherenkov y llamó a sus colegas a hacer lo mismo. Vavilov nunca aceptó y hasta su muerte se refería con orgullo al efecto Cherenkov.
Tuve al fin la oportunidad de visitar el reactor y ver la majestuosa radiación de Cherenkov con mis ojos. Misión cumplida.
