La radiación de Cherenkov

Continuamos hoy nuestro viaje por el mundo de las partículas subatómicas en la serie Esas maravillosas partículas. Hace ya un par de entregas de la serie que estamos hablando de partículas hipotéticas, y de hecho hemos abandonado ya incluso el Modelo Estándar de partículas subatómicas (del cual, como sabes si has seguido la serie, la única partícula no observada hasta ahora es el bosón de Higgs).

En cualquier caso, el artículo de hoy no está dedicado a una partícula en concreto, sino a un fenómeno que se utiliza de manera habitual para detectar partículas subatómicas. De hecho, al principio íbamos a publicar hoy un artículo sobre un par de partículas hipotéticas, pero la manera en la que estamos tratando de encontrarlas es precisamente utilizando este fenómeno físico, de modo que era necesario explicarlo, y… bueno, la verdad es que es tan fascinante que merece su propio artículo: hablaremos acerca de la radiación de Cherenkov.

En 1934, el físico soviético Pavel Alekseevič Čerenkov (que a veces se escribe Cherenkov, Cherenkhov o incluso Cerenkhov) se encontraba realizando experimentos relacionados con la radiactividad cuando observó un fenómeno curioso: cuando se bombardeaba una botella llena de agua con radiación alfa o beta muy energética (partículas cargadas, como núcleos de helio o electrones que se mueven muy rápido), la botella brillaba con una luz azulada. Este efecto se denominó, en su honor, efecto Čerenkov, y la radiación suele llamarse radiación de Čerenkov. Es más, el científico recibió el Premio Nobel de Física en 1958 por este descubrimiento.

Para entender a qué se debe este interesante fenómeno –que, como he dicho antes, se utiliza muy a menudo en física de partículas– es necesario antes hablar de otro que, al principio, no parece relacionado con él. Sin embargo, quiero intentar convencerte de que, si entiendes uno de ellos, el otro no es demasiado difícil de aceptar. De modo que permite, querido lector, que haga un inciso y hablemos brevemente acerca de los estampidos sónicos y la barrera del sonido.

Como probablemente sabes, cuando un objeto se mueve más deprisa que el sonido en un medio determinado, como el aire, se dice que ha sobrepasado la “barrera del sonido”, y en ese momento se produce un fuerte estampido que se denomina estampido sónico. Algún día tenemos que dedicar un artículo detallado sobre este asunto y ese nombre tan engañoso de “barrera del sonido” pero, en cualquier caso, estoy seguro de que estás familiarizado con su existencia.

Dicho mal y pronto, lo que sucede es lo siguiente: cuando un objeto se mueve en el aire, el objeto aparta el aire que hay delante de él, y el aire “rellena” el espacio que el objeto deja por detrás. La presión justo delante del objeto aumenta un poquito, y disminuye un poco por detrás. Se genera por lo tanto una pequeña onda de presión: el aire aumenta de presión y luego disminuye según pasa el objeto. Si observases una molécula del aire según pasa el objeto,realizaría una especie de movimiento de vaivén — se apartaría hacia un lado y luego volvería más o menos a su posición inicial. Cuanto más rápido se mueve el objeto, más rápido debe apartarse el aire.

Normalmente, la única manera de notar esto es estar muy cerca del objeto (seguro que, si conduces, has notado esto cuando pasas al lado de un camión grande), pero cuando el objeto se mueve más rápido que el sonido, las cosas se complican — en ese momento las pequeñas “crestas” de presión generadas según avanza el objeto no tienen tiempo de alejarse de él antes de que se produzca la siguiente cresta: se acumulan realizando una interferencia constructiva que genera una “súper-cresta” de presión, es decir, una onda de choque. Cuando esta onda de choque te alcanza oyes el estampido; hay otros fenómenos curiosos asociados a este brusco cambio de presión de los que hemos hablado con anterioridad:

F/A-18 “Hornet” rompiendo la barrera del sonido sobre el Pacífico.

La idea básica es la siguiente: si te mueves más rápido que el sonido en un determinado medio, generas una onda de choque en el medio porque las “mini-ondas de presión” que vas generando en tu movimiento no tienen tiempo de alejarse unas de otras antes de interferir constructivamente. Es como si creases pequeñas crestas de ola en el agua, pero las generaras tan deprisa que se fueran acumulando unas sobre otras, creando una ola enorme.

Si hasta aquí estamos de acuerdo, imagina conmigo aunque al principio suene raro o imposible: ¿qué pasaría si en el párrafo anterior sustituimos la palabra “sonido” por la palabra “luz”? ¿Qué sucede si te mueves más rápido que la luz en un determinado medio, de modo que las “mini-ondas luminosas” que creas a tu paso –si pudieras crearlas– no tengan tiempo de alejarse antes de interferir constructivamente?

La respuesta, querido y paciente lector, es naturalmente que se produce una “onda de choque luminosa” (sí, el término “onda de choque” no es realmente aplicable en este caso, pero bueno). El medio que te rodea no produce un fuerte estampido, sino una onda electromagnética — eso es la radiación de Čerenkov.

Estoy bastante seguro de que tu primera pregunta tras leer esto va a ser algo así como Pero ¿cómo diablos puedes decir “si te mueves más rápido que la luz”? ¡Eso es imposible! Al menos, ésa fue la pregunta que me hice yo la primera vez que me contaron esto. La clave es sutil pero importante: la luz no se mueve igual de rápido en todas partes. La imposibilidad de alcanzar la velocidad de la luz, de acuerdo con la Teoría Especial de la Relatividad, se refiere a la velocidad de la luz en el vacío, es decir, 300.000 km/s.

Sin embargo, por ejemplo en el agua la luz no se mueve a 300.000 km/s, sino a 225.000 km/s. De modo que, aunque es imposible que, por ejemplo, un electrón se mueva más rápido que la luz en el vacío, es perfectamente plausible que se mueva más rápido que la luz en el agua. De modo que un electrón que viaja por el agua a 250.000 km/s puede producir fenómenos tan extraños como el estampido sónico, pero relacionados con la luz, no con el sonido.

El proceso, en este caso, es el siguiente: cuando un electrón, o cualquier otra partícula cargada, se mueve por el interior de un aislante, modifica el campo eléctrico a su alrededor. Por ejemplo, según pasa el electrón, los electrones más externos de los átomos cercanos son repelidos por él, de modo que se alejan de él, pero cuando ha pasado, vuelven a su posición inicial, pues el átomo los sigue atrayendo igual que antes. Según pasa el electrón, se crea un movimiento de vaivén en los electrones circundantes. Algo parecido sucede si se trata de una partícula alfa cargada positivamente, aunque al revés.

Sin embargo, cualquier carga acelerada emite radiación electromagnética: este movimiento de ir y venir de los electrones al paso de una partícula cargada genera una serie de ondas electromagnéticas al paso del electrón, algo parecido a las ondas de presión generadas cuando un cuerpo se mueve en el aire y las moléculas se apartan y luego vuelven. De igual manera que en aquel caso, estas mini-ondas electromagnéticas interfieren entre ellas de manera destructiva y no se notan “desde fuera”.

Ah, pero ¿qué sucede si el electrón va más rápido que la luz en el agua? Entonces estas ondas electromagnéticas no tienen tiempo de alejarse antes de que se genere la siguiente y se “suben unas encima de otras” como las pequeñas olas del ejemplo anterior. Al paso del electrón, el agua emite una onda electromagnética perfectamente detectable desde fuera, el equivalente del estampido sónico… pero de radiación. La radiación de Čerenkov.

Un par de aclaraciones: en primer lugar, este fenómeno sólo se produce cuando las partículas cargadas se mueven a través de un medio aislante. En los conductores, los electrones más externos de los átomos se mueven libremente por todo el cuerpo, de modo que no se pueden producir estos movimientos bruscos de vaivén de los electrones. En segundo lugar, moverse más rápido que la luz en el agua es posible, pero no sencillo: hace falta que las partículas cargadas tengan velocidades realmente altas, de modo que no esperes ver este fenómeno en la vida cotidiana.

Finalmente, la radiación de Čerenkov no es solamente luz: es radiación electromagnética de distintas frecuencias, fundamentalmente ultravioleta. Eso sí, cuando es realmente intensa, una fracción razonable tiene una frecuencia suficientemente baja como para ser radiación visible (es decir, luz), de modo que es posible ver el medio brillar con nuestros ojos, aunque con una luz muy cercana al violeta: de ahí que la radiación de Čerenkov sea de color azulado.

De hecho, si ves un medio aislante –como el agua– brillar con una luz azulada que parece no tener explicación, eso quiere decir que hay un gran número de partículas cargadas que se mueven muy rápido por su interior y, de hecho, la mayor parte de la radiación ni siquiera la estás viendo, porque es de una frecuencia mayor que la que pueden detectar nuestros ojos. Ésta es la razón de que las piscinas de los reactores nucleares brillen con luz azul:

Radiación de Čerenkov en la piscina del Advanced Test Reactor del Idaho National Laboratory.

Ésta es una de las dos razones también por las que mucha gente piensa que cuando algo es radiactivo, brilla, algo que es totalmente falso.

Aunque parezca un fenómeno tan extraordinario que raramente pueda detectarse, el efecto Čerenkov tiene multitud de usos. Se emplea, por ejemplo, para estimar el ritmo de la fisión en reactores como el de la foto: a mayor número de núcleos fisionados por segundo, mayor cantidad de partículas emitidas y mayor intensidad en la radiación de Čerenkov. Si aquello empieza a brillar más de la cuenta, ¡ojito!

Lo mismo sucede en observaciones de astrofísica: cuando la atmósfera recibe, por ejemplo, radiación gamma procedente del espacio, se producen verdaderas cascadas de partículas inestables muy energéticas. Muchas de estas partículas están cargadas y se mueven rapidísimo: a velocidades de hasta el 99,997% de la de la luz en el vacío. Tan rápido que producen radiación de Čerenkov. Es posible, por lo tanto, analizar las características de esta radiación para conocer qué partículas se produjeron. Esta técnica se conoce como IACT (Imaging Atmospheric Čerenkov Technique), y es empleada por telescopios como el VERITASestadounidense o el MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Čerenkov Telescope) de las Islas Canarias.

Pero la cosa no acaba ahí: es posible utilizar la radiación de Čerenkov para detectar e identificar partículas subatómicas en los aceleradores de partículas, e incluso medir su velocidad dependiendo del ángulo que forma la radiación emitida con la trayectoria de la partícula. El tan esperado LHC dispondrá de detectores de este tipo.

El caso es que la radiación de Čerenkov no sólo es un fenómeno interesante que nos enseña lo extraño que puede ser el Universo cuando lo miramos en condiciones diferentes de aquéllas a las que estamos acostumbrados en la vida cotidiana. Se emplea frecuentemente en la investigación científica, y muy particularmente en física de partículas, como veremos en el próximo artículo de esta serie, acerca de los bosones X e Y.