En las fotografías de las piscinas de investigación donde se sumergen los reactores nucleares se puede ver cómo toda el agua brilla con una misteriosa luz azul. Aunque no se ha encendido ninguna lámpara ni se ha añadido colorante al agua, la zona alrededor del núcleo del reactor se tiñe de azul, como si brillara por sí sola.
Ese resplandor es la radiación de Cherenkov (Cherenkov Radiation). Se trata de la luz que se propaga en forma de cono cuando una partícula con carga eléctrica se desplaza por un medio como el agua o el vidrio a mayor velocidad que la luz en ese mismo medio.
En este artículo veremos, por orden, cómo se descubrió la radiación de Cherenkov, cómo se genera, por qué es azul y cuáles son algunas de sus aplicaciones para estudiar el universo y la materia.
La luz que emiten las partículas al adelantar a la luz en un medio
El descubrimiento de la radiación de Cherenkov
Varias personas habían vislumbrado la radiación de Cherenkov, pero su naturaleza solo se esclareció gracias a la persistencia de un joven investigador en sus experimentos.
(1) Primeras observaciones
Entre 1888 y 1889, el físico británico Oliver Heaviside propuso una teoría según la cual podía generarse una luz de este tipo. En 1910, Marie Curie observó un tenue resplandor azul en una solución concentrada de radio, aunque no investigó específicamente su causa.
(2) El experimento de Cherenkov
En 1934, Pavel Cherenkov, del Instituto Lébedev de la Unión Soviética, observaba bajo la dirección de su profesor Sergey Vavilov un líquido en el que había sumergido material radiactivo cuando descubrió un tenue resplandor azul. Comprobó que la luz se emitía preferentemente en una dirección determinada y concluyó que era un fenómeno distinto de la fluorescencia comúnmente conocida. Por ello, esta luz también se conoce como radiación de Vavilov-Cherenkov.
(3) La teoría y el Premio Nobel
En 1937, sus colegas, los físicos Igor Tamm e Ilya Frank, se basaron en la teoría de la relatividad especial para explicar cómo se genera esta luz. Por este trabajo, los tres compartieron el Premio Nobel de Física de 1958.
Qué significa ir más rápido que la luz
Según la teoría de la relatividad de Einstein, ningún objeto puede superar la velocidad de la luz en el vacío, de unos 30 diez mil km por segundo. Como la radiación de Cherenkov se produce cuando una partícula viaja más rápido que la luz, a primera vista esto parece una contradicción.
- Velocidad de la luz en el vacío (Speed of Light in Vacuum). Es de unos 30 diez mil km por segundo y constituye el límite de velocidad del universo, que ninguna partícula puede superar.
- Velocidad de fase de la luz en un medio (Phase Velocity of Light). La luz se ralentiza al atravesar un material. En el agua, su velocidad se reduce a aproximadamente el 75 % de su velocidad en el vacío.
- Índice de refracción (Refractive Index). Es el valor que indica cuánto se ralentiza la luz en un medio. En el agua es de aproximadamente 1.33.
La velocidad de referencia es la de la luz en el medio material. Un electrón que sale despedido de un reactor nuclear o de un acelerador de partículas viaja más despacio que la luz en el vacío, pero puede superar la velocidad de la luz en el agua. En esas condiciones se produce la radiación de Cherenkov.
Por qué la luz se propaga en forma de cono
La radiación de Cherenkov se genera de forma muy parecida al estampido sónico de un avión supersónico o a las ondas en forma de V que se abren detrás de una embarcación que avanza a gran velocidad.
(1) La luz que emite el medio al perturbarse
Al pasar una partícula cargada, las moléculas cercanas se perturban brevemente y emiten una luz débil al volver a su estado inicial. Cuando la partícula se mueve despacio, las ondas luminosas quedan desfasadas y se cancelan entre sí, por lo que apenas se ven.
(2) Frentes de onda luminosos que se refuerzan al superponerse
Si la partícula viaja más rápido que la luz en el medio, se adelanta y vuelve a emitir luz antes de que la luz anterior haya tenido tiempo de propagarse. Como resultado, los frentes de onda se superponen a lo largo de una línea y se refuerzan entre sí, formando un cono de luz cuyo vértice es la partícula.
(3) El ángulo que revela la velocidad
El ángulo de apertura del cono depende de la velocidad de la partícula y del índice de refracción del medio. Cuanto más rápido viaja la partícula, más se abre el cono, de modo que al medir el ángulo se puede deducir la velocidad de la partícula.
Por qué la luz es azul
La radiación de Cherenkov emite más luz cuanto más corta es la longitud de onda. Por eso, en la parte visible del espectro predominan los tonos azules, de longitud de onda corta, y la emisión contiene también una gran proporción de radiación ultravioleta, invisible para nuestros ojos.
Una luz para observar el universo y el interior del cuerpo
La radiación de Cherenkov es una señal que permite detectar partículas invisibles. Basta con medir la dirección y la intensidad de la luz para averiguar de dónde venía la partícula y a qué velocidad viajaba.
(1) Observación de neutrinos en un enorme tanque de agua
Super-Kamiokande, situado a unos 1,000 m de profundidad en la mina de Kamioka, en Japón, tiene un tanque con 5 decenas de miles de toneladas de agua pura. En sus paredes lleva instalados unos 1 grupos de diez mil detectores de luz más 1 millar de detectores. Estos captan la luz de Cherenkov que emiten las partículas liberadas cuando los neutrinos chocan con el agua. Las observaciones de este detector permitieron descubrir la oscilación de los neutrinos, lo que dio lugar al Premio Nobel de Física de 2015.
(2) Telescopios que aprovechan el hielo antártico y el cielo
En la Antártida, IceCube busca neutrinos con el mismo principio mediante detectores enterrados en 1 kilómetros cúbicos de hielo. En distintas partes del mundo también funcionan telescopios terrestres que captan los brevísimos destellos de luz de Cherenkov que se producen cuando los rayos gamma procedentes del espacio chocan con la atmósfera.
(3) Reactores nucleares y aplicaciones médicas
En las piscinas que almacenan combustible nuclear gastado, a veces se utiliza la intensidad de la luz azul para comprobar que el combustible está correctamente colocado. Los destellos que algunos pacientes decían ver durante la radioterapia también se explicaron cuando un estudio de 2019 confirmó que se generaba luz de Cherenkov en el humor vítreo del ojo.
La radiación de Cherenkov es una consecuencia natural de que una partícula supere la velocidad a la que se propaga la luz en un medio, en consonancia con el límite de velocidad de la luz en el vacío. Un haz de luz azul como el que se ve en la piscina de un reactor puede incluso revelar la llegada de una partícula procedente de una región del espacio al otro lado de la Tierra.
Reconocer que la velocidad de la luz depende del medio en el que se propaga es el primer paso para entender la radiación de Cherenkov.
