26 jun. 2014

¿Qué es y cómo se produce la radiación Cherenkov?

La radiación Cherenkov (por Pavel Alekseyevich Cherenkov) es un fenómeno electromagnético que se origina  cuando una partícula poseedora de carga eléctrica (como un protón, un electrón o un positrón) pasa a través de un medio dieléctrico a una velocidad (rapidez) mayor que la de la luz en ese medio. Cabe recordar que cuando se dice luz, se hace referencia a cualquier radiación electromagnética.
El característico resplandor azul que se origina en el agua que rodea el núcleo de los reactores nucleares tiene su origen en la radiación Cherenkov. Pavel Alekseyevich recibió en premio Nobel en 1958 por ser el primero en detectar esta radiación de manera experimental, habiendo sido predicha mucho tiempo antes por Oliver Heaviside, allá por finales del año 1888 y principios de 1889.

Radiación Cherenkov surgiendo del núcleo del reactor RA-6 del 
Centro Atómico Bariloche (El cual he tenido la oportunidad de ver
en funcionamiento varias veces en ocasión de realizar cursos de capacitación)
Por supuesto que hasta el momento la velocidad de la luz en el vacío es el límite para cualquier velocidad de partículas en el Universo. Ninguna entidad cuántica material puede viajar a la velocidad de la luz (c) ni superior. Pero esto es en el vacío, pues la radiación electromagnética se propaga a velocidades menores en cualquier medio. Incluso a velocidades significativamente menores a c. Tal es el caso de la velocidad de propagación en el agua, que es de 0,75 c.
Entonces, puede darse el caso en que las partículas materiales se propaguen más rápido en el agua de lo que lo hacen las ondas electromagnéticas. Esto ocurre, por ejemplo, en ocurrencia de reacciones nucleares de fisión o en los aceleradores de partículas. 

De manera que la radiación Cherenkov es el resultado de un fenómeno en el cual una partícula cargada viaja a través de un dieléctrico (un medio eléctricamente polarizable) a una velocidad mayor de lo que lo hace la luz en ese medio.

La velocidad que ha de superarse es la velocidad de fase

Más precisamente, la velocidad que ha de superarse es la velocidad de fase de la luz en lugar de la velocidad de grupo de la luz. La velocidad de fase es aquella a la cual la fase de un determinado componente en frecuencia de una onda se propaga (que eventualmente es distinto para cada frecuencia). Por lo cual, la velocidad de fase puede alterarse en gran medida dependiendo del medio en donde se propaga y de si los medios presentan perturbaciones periódicas. En algunos casos se puede alcanzar la radiación Cherenkov con velocidades de partículas relativamente bajas (fenómeno conocido como efecto Smith-Purcell). También, en un medio periódico complejo, tal como una red de difracción nanométrica o un cristal fotónico, puede obtenerse radiación Cherenkov con velocidades bajas de las partículas y una variedad de otros efectos Cherenkov denominados anómalos, tales como radiación Cherenkov de retroceso, donde el ángulo de la radiación es obtuso respecto de la recta que contiene al vector velocidad de propagación de la partícula cargada. En el caso de la radiación Cherenkov ordinaria, este ángulo es agudo con respecto a la velocidad de la partícula.

El siguiente video muestra el momento de la puesta en funcionamiento del un reactor nuclear de fisión y el mencionado efecto de la radiación Cherenkov:



¿Cómo se genera el resplandor azul?

Cuando una partícula cargada se desplaza por un dieléctrico, se altera el campo electromagnético local a su paso por el medio. En particular, el medio se polariza eléctricamente a partir del campo eléctrico de la partícula de manera asimétrica. La polarización es asimétrica dado que las moléculas que hay delante de la partícula no han alcanzado a polarizarse cuando las de atrás ya lo han hecho. Las moléculas que están presentes delante de la partícula viajera no se han polarizado porque la partícula se desplaza más rápido que su propio campo electromagnético. La velocidad de respuesta está, entonces, limitada por la velocidad de propagación de la luz (más bien de la fase, como se dijo más arriba) en el medio. Esto significa que la perturbación deja una estela cónica al paso de la partícula, y la energía contenida en esa perturbación se irradia como una onda de choque coherente.
Una analogía común y muy usada para explicar la radiación Cherenkov es el estampido sónico de un avión a reacción. Los sonidos generados por el avión supersónico se propagan a la velocidad de sonido, mientras el jet adelanta al frente de ondas formando detrás el denominado frente de choque. De manera similar, la partícula cargada genera luz formando un frente de choque que viaja por el medio.
El ángulo con que se produce la radiación de Cherenkov es cero a la velocidad umbral para la emisión de radiación Cherenkov, es decir aquella velocidad de la partícula igual a la velocidad de la luz en el medio. Por otra parte, el ángulo toma un máximo cuando la velocidad de la partícula se aproxima a la velocidad de la luz en el vacío. De aquí que los ángulos observados de incidencia se pueden utilizar para calcular la dirección y la velocidad de una partícula que haya producido la radiación Cherenkov. 

Pf: Mariano Miguel Lanzi

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