Radiación de Cherenkov

Aunque el nombre no te sea familiar, seguramente has visto alguna vez el brillo azulado tan particular que caracteriza la radiación de Cherenkov. En muchas películas o documentales aparece este resplandor, que se produce cuando una partícula de alta energía atraviesa un medio en el que la velocidad de la luz es menor a la del vacío. Recibe su nombre del Premio Nobel de Física Pavel Alekseyevich Cherenkov, quien fue el primero en explicar su procedencia en los primeros años de la década de 1950.

Todos sabemos que nada puede viajar más rápido que la luz en el vacío. Esos casi 300 mil kilómetros por segundo son la cota máxima de velocidad a la que una partícula que respete las leyes de la física puede aspirar. Sin embargo, nada impide que un fotón o cualquier otra partícula subatómica se mueva a menos de esa velocidad, y de hecho lo hacen todo el tiempo. En efecto, existen una gran cantidad de materiales (de hecho, prácticamente todos en los que puedas pensar) en los que la luz “viaja” a velocidad menores a la del vacío.

La radiación de Cherenkov es la radiación electromagnética que se produce cuando una partícula de alta energía en movimiento se encuentra de pronto con un medio semitransparente en el que no puede viajar tan rápido como lo hacia en su exterior.Este efecto, que es el responsable de ese brillo azulado característico del núcleo de los reactores nucleares, fue explicado por primera vez en los albores de la década de 1950 por el físico ruso Pavel Alekseyevich Cherenkov, quién obtuvo el Premio Nobel de Física por dicho trabajo en 1958.

A pesar de que es prácticamente imposible explicar el origen de esta luminosidad sin escribir algunas docenas de complicadas fórmulas, podemos intentarlo valiéndonos de un ejemplo mucho mas sencillo: la onda de choque que se produce cuando un avión o proyectil supera la velocidad del sonido. Un móvil que se desplaza por el aire genera una serie de ondas esféricas que se superponen, formando un frente con forma de cono. Las moléculas de aire tienen problemas para “apartarse a tiempo” y se crean condiciones atípicas alrededor del móvil, que terminan produciéndo el estruendo que seguramente ya conoces.

En casos muy particulares, cuando la humedad relativa ambiente y la temperatura del aire es la adecuada, las ondas de aire propician la formación de una pequeña nube de condensación debida a la singularidad de Prandtl-Glauert. En el caso de la luz o las partículas aceleradas hasta esa velocidad ocurre algo similar, dado que a pesar de ser de naturaleza electromagnética, también son una onda. La radiación Cherenkov sólo se produce si la partícula que atraviesa el medio -que debe un dieléctrico– está cargada eléctricamente. Un protón que atraviese un medio compuesto por neutrones no emitiría radiación Cherenkov, pero si lo haría -y de hecho lo hace- si atraviesa un medio como el agua.

Los rayos cósmicos, que no son otra cosa que partículas cargadas viajando a la velocidad de la luz, bombardean constantemente nuestra atmósfera. Como resultado de los choques que se producen entre estas y los átomos de la atmósfera se producen verdaderas “lluvias de partículas” muy diversas, entre ellas varias que poseen carga eléctrica. Es muy frecuente que alguna de estas partículas polarice asimétricamente las muy abundantes moléculas de nitrógeno y oxígeno que encuentra a su paso. Cuando luego de un breve instante se produce la inevitable despolarización espontánea de las moléculas atmosféricas afectadas tiene lugar una emisión de radiación Cherenkov.

De hecho, existen telescopios especiales, llamados “telescopios Cherenkov” que son capaces de “ver” estos destellos. Igual que ocurre con las moléculas de aire que forman el frente con forma de cono al pasar el avión supersónico, la polarización que produce una partícula cargada es asimétrica. Esto significa que las moléculas que están por delante de su trayectoria aún no se han polarizado cuando las de detrás ya lo han hecho. La razón de este comportamiento es muy simple: la partícula viaja -en ese medio- más rápido que su propio campo eléctrico, por lo que todo lo que se encuentra delante de ella no resulta afectado hasta que es superado. Si la polarización fuese simétrica no se produciría la radiación de Cherenkov.

El efecto Cherenkov es utilizado para construir detectores de partículas. Este tipo de sensor, es capaz de detectar el fotón que se produce cuando una partícula atraviesa el liquido de su interior. Este efecto también resulta muy visible en el interior de los reactores nucleares, ya que durante la fisión se desprenden neutrones que al atravesar el agua del contenedor hacen surja una luminosidad de tonalidad azul. Obviamente, una gran parte de la radiación de Cherenkov nos resulta invisible, ya que se produce en una longitud de onda que nuestros ojos son incapaces de percibir. El efecto que intrigó muchos años a un físico ruso hoy nos sirve para analizar la procedencia de partículas de alta energía que se han generado a millones de años luz de distancia. ¿No es apasionante?