El núcleo del Reactor de Prueba Avanzado del Laboratorio Nacional de Idaho no es azul brillante porque lo hay… luces azules involucradas, sino más bien porque se trata de un reactor nuclear que produce partículas relativistas cargadas rodeadas de agua. Cuando las partículas pasan a través de ese agua, exceden la velocidad de la luz en ese medio, haciendo que emitan radiación Cherenkov, que aparece como esta luz azul brillante.
Laboratorio Nacional Argonne
Nada puede moverse más rápido que la velocidad de la luz. Cuando Einstein expuso su teoría de la relatividad, éste era su postulado inviolable: que había un límite máximo de velocidad cósmica, y que solo las partículas sin masa podrían alcanzarlo. Todas las partículas masivas solo podían acercarse a él, pero nunca llegarían a él. La velocidad de la luz, según Einstein, era la misma para todos los observadores en todos los marcos de referencia, y ninguna forma de materia podría alcanzarla.
Pero esta interpretación de Einstein omite una advertencia importante: todo esto solo es cierto en el vacío del espacio puramente, perfectamente vacío. A través de un medio de cualquier tipo, ya sea aire, agua, vidrio, acrílico o cualquier gas, líquido o sólido, la luz viaja a una velocidad sensiblemente más lenta. Las partículas energéticas, por otro lado, solo viajan más lentamente que la luz en el vacío, no la luz en un medio. Al aprovechar esta propiedad de la naturaleza, realmente podemos ir más rápido que la luz.
La luz emitida por el Sol viaja a través del vacío del espacio a exactamente 299,792,458 m/s: el… límite máximo de velocidad cósmica. Sin embargo, tan pronto como la luz golpea un medio, incluyendo algo como la atmósfera de la Tierra, esos fotones bajarán de velocidad a medida que se mueven solo a la velocidad de la luz a través de ese medio. Aunque ninguna partícula masiva puede alcanzar la velocidad de la luz en el vacío, puede alcanzar fácilmente o incluso exceder la velocidad de la luz en un medio.
Fyodor Yurchikhin / Agencia Espacial Rusa
Imagine un rayo de luz que se aleja directamente del Sol. En el vacío del espacio, si no hay partículas o materia presentes, de hecho viajará al límite máximo de velocidad cósmica, c: 299.792.458 m / s, la velocidad de la luz en el vacío. Aunque la humanidad ha producido partículas extremadamente energéticas en colisionadores y aceleradores, y ha detectado partículas aún más energéticas procedentes de fuentes extragalácticas, sabemos que no podemos romper este límite.
En el LHC, los protones acelerados pueden alcanzar velocidades de hasta 299,792,455 m/s, solo 3 m / s por debajo de la velocidad de la luz. En LEP, que aceleró electrones y positrones en lugar de protones en el mismo túnel del CERN que ahora ocupa el LHC, la velocidad máxima de las partículas fue de 299.792.457.9964 m / s, que es la partícula acelerada más rápida jamás creada. Y los rayos cósmicos de mayor energía entran con una velocidad extraordinaria de 299,792,457. 9999999999999918 m / s, lo que perdería una carrera con un fotón a Andrómeda y retrocedería solo seis segundos.
Todas las partículas sin masa y viajan a la velocidad de la luz, pero la velocidad de la luz cambia dependiendo… ya sea que viaje a través del vacío o de un medio. Si fueras a correr la partícula de rayos cósmicos de mayor energía jamás descubierta con un fotón a la galaxia Andrómeda y de regreso, un viaje de ~5 millones de años luz, la partícula perdería la carrera por aproximadamente 6 segundos.
NASA/Sonoma State University/Aurore Simmonet
podemos acelerar partículas de materia muy cercana a la velocidad de la luz en el vacío, pero nunca pueden llegar, o lo superan. Sin embargo, esto no significa que nunca podamos ir más rápido que la luz; solo significa que no podemos ir más rápido que la luz en el vacío. En un medio, la historia es extremadamente diferente.
Puedes verlo por ti mismo pasando un rayo de luz solar que golpea la Tierra a través de un prisma. Mientras que la luz que se mueve a través del aire puede viajar a velocidades tan cercanas a la velocidad de la luz en el vacío que su salida es imperceptible, la luz a través de un prisma se dobla claramente. Esto se debe al hecho de que la velocidad de la luz disminuye significativamente en un medio más denso: es solo ~225,000,000 m/s en agua y solo 197,000,000 m/s en vidrio de corona. Esta velocidad lenta, combinada con una variedad de leyes de conservación, asegura que la luz se dobla y se dispersa en un medio.
El comportamiento de la luz blanca a medida que pasa a través de un prisma demuestra cómo la luz es diferente… las energías se mueven a diferentes velocidades a través de un medio, pero no a través de un vacío. Newton fue el primero en explicar la reflexión, refracción, absorción y transmisión, así como la capacidad de la luz blanca para dividirse en diferentes colores.
Universidad de Iowa
Esta propiedad conduce a una predicción increíble: la posibilidad de que puedas moverte más rápido que la luz, siempre y cuando estés en un medio donde la velocidad de la luz esté por debajo de la velocidad de la luz en el vacío. Por ejemplo, muchos procesos nucleares causan la emisión de una partícula cargada, como un electrón, a través de la fusión, la fisión o la desintegración radiactiva. Si bien estas partículas cargadas pueden ser energéticas y de rápido movimiento, nunca pueden alcanzar la velocidad de la luz en el vacío.
Pero si pasas esa partícula a través de un medio, incluso si es algo tan simple como el agua, de repente encontrará que se mueve más rápido que la velocidad de la luz en ese medio. Mientras ese medio esté compuesto de partículas de materia y se cargue la partícula más rápida que la luz, emitirá una forma especial de radiación que es característica de esta configuración: radiación Čerenkov (pronunciada Cherenkov).
Reactor nuclear experimental RA-6 (República Argentina 6), en marcha, mostrando la característica… Radiación Cherenkov de las partículas más rápidas que la luz en el agua emitidas. Los neutrinos (o más exactamente, antineutrinos) que Pauli planteó por primera vez en 1930 fueron detectados de un reactor nuclear similar en 1956. Los experimentos modernos continúan observando una deficiencia de neutrinos, pero están trabajando arduamente para cuantificarla como nunca antes, mientras que la detección de radiación Cherenkov ha revolucionado la física de partículas.
Centro Atómico Bariloche, via Pieck Darío
La radiación de Čerenkov aparece característicamente como un resplandor azul, y se emite cada vez que una partícula cargada viaja más rápido que la luz en un medio en particular. Se ve más comúnmente, como se mencionó anteriormente, en el agua que rodea a los reactores nucleares. Las reacciones en el interior causan la emisión de partículas de alta energía que se mueven más rápido que la luz en el agua, pero cantidades sustanciales de agua rodean el reactor para proteger el entorno externo de la emisión dañina de radiación.
¡Esto es notablemente efectivo! Hay interacciones electromagnéticas que ocurren entre la partícula cargada en movimiento y las partículas (cargadas) que componen el medio por el que viaja, y esas interacciones hacen que la partícula que viaja emita radiación de una energía particular en todas las direcciones permitidas: radialmente hacia afuera, perpendicular a la dirección de su movimiento.
Esta animación muestra lo que sucede cuando una partícula relativista cargada se mueve más rápido que la luz… en un medio. Las interacciones hacen que la partícula emita un cono de radiación conocido como radiación Cherenkov, que depende de la velocidad y la energía de la partícula incidente. La detección de las propiedades de esta radiación es una técnica enormemente útil y extendida en la física experimental de partículas.
vlastni dilo / H. Seldon / dominio público
Pero como la partícula que emite la radiación está en movimiento, y como se mueve tan rápido, todos esos fotones emitidos van a ser potenciados. En lugar de obtener un anillo de fotones que simplemente se mueve hacia afuera, esta partícula, que se mueve más rápido que la luz en el medio por el que viaja, emitirá un cono de radiación que viaja en la misma dirección de movimiento que la partícula que la emite.
La radiación de Čerenkov sale en un ángulo definido solo por dos factores:
- la velocidad de la partícula (vpartícula, más rápida que la luz en el medio pero más lenta que la luz en el vacío),
- y la velocidad de la luz en el medio (vlight).
De hecho, la fórmula es muy simple: θ = cos-1 (vlight/vparticle). En inglés sencillo, esto significa que el ángulo al que sale la luz es el coseno inverso de la relación de esas dos velocidades, la velocidad de la luz en el medio a la velocidad de la partícula.
El tanque lleno de agua en Super Kamiokande, que ha establecido los límites más estrictos en la vida útil… del protón. Este enorme tanque no solo está lleno de líquido, sino que también está forrado con tubos fotomultiplicadores. Cuando se produce una interacción, como un golpe de neutrinos, una desintegración radiactiva o (teóricamente) una desintegración de protones, se produce luz de Cherenkov, que puede ser detectada por los tubos fotomultiplicadores que nos permiten reconstruir las propiedades y orígenes de la partícula.
ICRR, Observatorio Kamioka, Universidad de Tokio
Hay algunas cosas importantes a tener en cuenta sobre la radiación de Čerenkov. La primera es que lleva energía e impulso, que por necesidad tiene que provenir de la partícula que se mueve más rápido que la luz en el medio. Esto significa que las partículas que emiten radiación de Čerenkov se ralentizan debido a su emisión.
La segunda es que el ángulo en el que se emite la radiación de Čerenkov nos permite determinar la velocidad de la partícula que causó su emisión. Si se puede medir la luz de Čerenkov que se origina a partir de una partícula en particular, se pueden reconstruir las propiedades de esa partícula. La forma en que esto funciona, en la práctica, es que puede configurar un gran tanque de material con tubos fotomultiplicadores (capaces de detectar fotones individuales) que recubren el borde, y la radiación de Čerenkov detectada le permite reconstruir las propiedades de la partícula entrante, incluido el lugar donde se originó en su detector.
Un evento de neutrinos, identificable por los anillos de radiación de Cerenkov que aparecen a lo largo del… los tubos fotomultiplicadores que recubren las paredes del detector muestran la exitosa metodología de la astronomía de neutrinos y aprovechan el uso de la radiación Cherenkov. Esta imagen muestra múltiples eventos, y es parte del conjunto de experimentos que allanan nuestro camino hacia una mayor comprensión de los neutrinos.
Colaboración Super Kamiokande
Curiosamente, la radiación de Čerenkov fue teorizada incluso antes de la teoría de la relatividad de Einstein, donde languidecía en la oscuridad. El matemático Oliver Heaviside lo predijo en 1888-9, e independientemente Arnold Sommerfeld (que ayudó a cuantificar el átomo de hidrógeno) lo hizo en 1904. Pero con el advenimiento de la relatividad especial de Einstein de 1905, nadie estaba lo suficientemente interesado en esta línea de pensamiento como para retomarla de nuevo. Incluso cuando Marie Curie observó luz azul en una solución de radio concentrada (en 1910), no investigó su origen.
En cambio, cayó en manos de un joven investigador llamado Pavel Čerenkov, que estaba trabajando en la luminiscencia de elementos pesados. Cuando excitas un elemento, sus electrones se desexcitan espontáneamente, cayendo en cascada en niveles de energía y emitiendo luz a medida que lo hacen. Lo que Čerenkov notó, y luego investigó, fue la luz azul que no encajaba únicamente en este marco. Algo más estaba en juego.
Los rayos cósmicos, que son partículas de energía ultraalta que se originan en todo el Universo, golpean… protones en la atmósfera superior y producen lluvias de nuevas partículas. Las partículas cargadas que se mueven rápidamente también emiten luz debido a la radiación Cherenkov, ya que se mueven más rápido que la velocidad de la luz en la atmósfera de la Tierra. Actualmente se están construyendo y ampliando conjuntos de telescopios para detectar directamente esta luz Cherenkov.
Simon Swordy (U. Chicago), NASA
Čerenkov preparó soluciones acuosas que eran ricas en radiactividad, y notó esa luz azul característica. Cuando se tiene un fenómeno fluorescente, donde los electrones desexcitan y emiten radiación visible, esa radiación es isotrópica: la misma en todas las direcciones. Pero con una fuente radiactiva en el agua, la radiación no era isotrópica, sino que salía en conos. Posteriormente se demostró que esos conos correspondían a partículas cargadas emitidas. La nueva forma de radiación, poco conocida en el momento del descubrimiento de Čerenkov en 1934, fue llamada radiación de Čerenkov.
Tres años más tarde, los colegas teóricos de Čerenkov, Igor Tamm e Ilya Frank, pudieron describir con éxito estos efectos en el contexto de la relatividad y el electromagnetismo, lo que llevó a que los detectores de Čerenkov se convirtieran en una técnica útil y estándar en la física experimental de partículas. Los tres compartieron el Premio Nobel de Física en 1958.
En 1958, el Premio Nobel de física fue otorgado a los tres principalmente responsable… revelando las propiedades experimentales y teóricas de la radiación emitida cuando las partículas cargadas se mueven más rápido que la luz en un medio. El resplandor azul, conocido hoy como radiación Čerenkov, tiene enormes aplicaciones en la física incluso hoy en día.
Nobel Media AB 2019
La radiación de Čerenkov es un fenómeno tan notable que cuando los primeros electrones acelerados, en los primeros días de la física de partículas en los Estados Unidos, los físicos cerraban un ojo y lo ponían en el camino de donde debería haber estado el haz de electrones. Si el haz estuviera encendido, los electrones producirían radiación de Čerenkov en el ambiente acuoso del globo ocular del físico, y esos destellos de luz indicarían que se estaban produciendo electrones relativistas. Una vez que se comprendieron mejor los efectos de la radiación en el cuerpo humano, se adoptaron precauciones de seguridad para evitar que los físicos se envenenaran a sí mismos.
Pero el fenómeno subyacente es el mismo sin importar a dónde vaya: una partícula cargada que se mueve más rápido que la luz en un medio emitirá un cono de radiación azul, ralentizándose al tiempo que revela información sobre su energía y momento. Todavía no puedes romper el límite máximo de velocidad cósmica, pero a menos que estés en un vacío verdadero y perfecto, siempre puedes ir más rápido que la luz. Todo lo que necesitas es suficiente energía.