Questo è il modo in cui i fisici ingannano le particelle per andare più veloce della luce

Niente può muoversi più velocemente della velocità della luce. Quando Einstein esponeva la sua teoria della relatività, questo era il suo postulato inviolabile: che c’era un limite di velocità cosmico ultimo, e che solo le particelle senza massa potevano mai raggiungerlo. Tutte le particelle massicce potrebbero solo avvicinarsi, ma non lo raggiungerebbero mai. La velocità della luce, secondo Einstein, era la stessa per tutti gli osservatori in tutti i quadri di riferimento, e nessuna forma di materia poteva mai raggiungerla.

Ma questa interpretazione di Einstein omette un importante avvertimento: tutto questo è vero solo nel vuoto di uno spazio puramente, perfettamente vuoto. Attraverso un mezzo di qualsiasi tipo-che si tratti di aria, acqua, vetro, acrilico o qualsiasi gas, liquido o solido — la luce viaggia a una velocità misurabilmente più bassa. Le particelle energetiche, d’altra parte, sono destinate a viaggiare solo più lentamente della luce nel vuoto, non della luce in un mezzo. Sfruttando questa proprietà della natura, possiamo davvero andare più veloce della luce.

Immagina un raggio di luce che viaggia direttamente lontano dal Sole. Nel vuoto dello spazio, se non sono presenti particelle o materia, viaggerà effettivamente al limite massimo di velocità cosmica, c: 299,792,458 m/s, la velocità della luce nel vuoto. Sebbene l’umanità abbia prodotto particelle estremamente energetiche in collider e acceleratori-e abbia rilevato particelle ancora più energetiche provenienti da fonti extragalattiche — sappiamo che non possiamo superare questo limite.

All’LHC, i protoni accelerati possono raggiungere velocità fino a 299.792.455 m/s, appena 3 m/s al di sotto della velocità della luce. Al LEP, che accelerava elettroni e positroni invece dei protoni nello stesso tunnel del CERN che ora occupa l’LHC, la velocità massima delle particelle era di 299.792.457.9964 m / s, che è la particella accelerata più veloce mai creata. E il raggio cosmico più alta energia orologi in con una straordinaria velocità di 299,792,457.999999999999918 m / s, che perderebbe una gara con un fotone ad Andromeda e indietro di soli sei secondi.

Possiamo accelerare le particelle di materia molto vicino alla velocità della luce nel vuoto, ma non possiamo mai raggiungerla o superarla. Tuttavia, questo non significa che non possiamo mai andare più veloce della luce; significa solo che non possiamo andare più veloce della luce nel vuoto. In un mezzo, la storia è estremamente diversa.

Puoi vederlo da solo facendo passare un raggio di luce solare che colpisce la Terra attraverso un prisma. Mentre la luce che si muove attraverso l’aria potrebbe viaggiare a velocità così vicine alla velocità della luce nel vuoto che la sua partenza è impercettibile, la luce attraverso un prisma si piega chiaramente. Ciò è dovuto al fatto che la velocità della luce scende significativamente in un mezzo più denso: è solo ~225.000.000 m/s in acqua e solo 197.000.000 m/s in vetro corona. Questa bassa velocità, combinata con una varietà di leggi di conservazione, assicura che la luce si pieghi e si disperda in un mezzo.

Questa proprietà porta ad una previsione sorprendente: la possibilità che si può spostare più velocemente della luce, fino a quando sei in un mezzo in cui la velocità della luce è al di sotto della velocità della luce nel vuoto. Ad esempio, molti processi nucleari causano l’emissione di una particella carica — come un elettrone — attraverso la fusione, la fissione o il decadimento radioattivo. Mentre queste particelle cariche potrebbero essere energiche e in rapido movimento, non possono mai raggiungere la velocità della luce nel vuoto.

Ma se passi quella particella attraverso un mezzo, anche se è qualcosa di semplice come l’acqua, scoprirà improvvisamente che si muove più velocemente della velocità della luce in quel mezzo. Finché quel mezzo è costituito da particelle di materia e la particella più veloce della luce è carica, emetterà una forma speciale di radiazione che è caratteristica di questa configurazione: radiazione Čerenkov (pronunciata Cherenkov).

La radiazione Čerenkov appare tipicamente come un bagliore blu e viene emessa ogni volta che una particella carica viaggia più velocemente della luce in un particolare mezzo. È più comunemente visto, come sopra, nell’acqua che circonda i reattori nucleari. Le reazioni all’interno causano l’emissione di particelle ad alta energia che si muovono più velocemente della luce nell’acqua, ma notevoli quantità di acqua circondano il reattore per proteggere l’ambiente esterno dall’emissione nociva di radiazioni.

Questo è straordinariamente efficace! Ci sono interazioni elettromagnetiche che si verificano tra la particella carica in movimento e le particelle (cariche) che compongono il mezzo che sta viaggiando, e queste interazioni causano la particella viaggiante a emettere radiazioni di una particolare energia in tutte le direzioni consentite: radialmente verso l’esterno, perpendicolare alla direzione del suo movimento.

Ma dal momento che la particella che emette la radiazione è in movimento, e dal momento che si muove così rapidamente, tutti quei fotoni emessi saranno potenziati. Invece di ottenere un anello di fotoni che si muove semplicemente verso l’esterno, questa particella — muovendosi più velocemente della luce nel mezzo che attraversa — emetterà un cono di radiazione che viaggia nella stessa direzione di movimento della particella che lo emette.

La radiazione Čerenkov esce ad un angolo definito solo da due fattori:

1. la velocità della particella (vparticella, più veloce della luce nel mezzo ma più lenta della luce nel vuoto),
2. e la velocità della luce nel mezzo (vlight).

In effetti, la formula è davvero semplice: θ = cos-1 (vlight/vparticella). In parole povere, ciò significa che l’angolo a cui si stacca la luce è il coseno inverso del rapporto tra queste due velocità, la velocità della luce nel mezzo e la velocità della particella.

Ci sono alcune cose importanti da notare sulle radiazioni di Čerenkov. Il primo è che trasporta sia energia che quantità di moto, che per necessità deve provenire dalla particella che si muove più velocemente della luce nel mezzo. Ciò significa che le particelle che emettono radiazioni Čerenkov rallentano a causa della sua emissione.

Il secondo è che l’angolo in cui viene emessa la radiazione di Čerenkov ci consente di determinare la velocità della particella che ha causato la sua emissione. Se è possibile misurare la luce di Čerenkov che proviene da una particolare particella, è possibile ricostruire le proprietà di quella particella. Il modo in cui funziona, in pratica, è che è possibile impostare un grande serbatoio di materiale con tubi fotomoltiplicatori (in grado di rilevare singoli fotoni) che rivestono il bordo, e la radiazione Čerenkov rilevata consente di ricostruire le proprietà della particella in arrivo, incluso il punto in cui ha avuto origine nel rilevatore.

È interessante notare che la radiazione di Čerenkov è stata teorizzata anche prima della teoria della relatività di Einstein, dove languiva nell’oscurità. Il matematico Oliver Heaviside lo predisse nel 1888-9, e indipendentemente Arnold Sommerfeld (che aiutò a quantizzare l’atomo di idrogeno) lo fece nel 1904. Ma con l’avvento della relatività speciale di Einstein del 1905, nessuno era abbastanza interessato a questa linea di pensiero da riprenderla. Anche quando Marie Curie osservò la luce blu in una soluzione concentrata di radio (nel 1910), non indagò la sua origine.

Invece, è toccato a un giovane ricercatore di nome Pavel Čerenkov, che stava lavorando sulla luminescenza degli elementi pesanti. Quando ecciti un elemento, i suoi elettroni si diseccitano spontaneamente, scendendo a cascata nei livelli di energia ed emettendo luce come fanno. Ciò che Čerenkov notò, e poi investigò, era la luce blu che non si adattava esclusivamente a questo quadro. C’era qualcos’altro in gioco.

Čerenkov preparò soluzioni acquose ricche di radioattività e notò quella caratteristica luce blu. Quando si ha un fenomeno fluorescente, dove gli elettroni deeccitano ed emettono radiazioni visibili, quella radiazione è isotropica: la stessa in tutte le direzioni. Ma con una fonte radioattiva nell’acqua, la radiazione non era isotropica, ma piuttosto veniva fuori in coni. Questi coni sono stati successivamente dimostrato di corrispondere a particelle cariche emesse. La nuova forma di radiazione, poco conosciuta al momento della scoperta di Čerenkov del 1934, fu quindi chiamata radiazione di Čerenkov.

Tre anni dopo, i colleghi teorici di Čerenkov Igor Tamm e Ilya Frank furono in grado di descrivere con successo questi effetti nel contesto della relatività e dell’elettromagnetismo, il che portò i rivelatori di Čerenkov a diventare una tecnica utile e standard nella fisica sperimentale delle particelle. I tre hanno condiviso il premio Nobel per la Fisica nel 1958.

La radiazione di Čerenkov è un fenomeno così notevole che quando i primi elettroni accelerati, nei primi giorni della fisica delle particelle negli Stati Uniti, i fisici chiudevano un occhio e lo mettevano nel percorso di dove avrebbe dovuto essere il fascio di elettroni. Se il raggio fosse acceso, gli elettroni produrrebbero la radiazione di Čerenkov nell’ambiente acquoso del bulbo oculare del fisico, e quei lampi di luce indicherebbero che venivano prodotti elettroni relativistici. Una volta che gli effetti delle radiazioni sul corpo umano sono stati meglio compresi, sono state messe in atto precauzioni di sicurezza per impedire ai fisici di avvelenarsi.

Ma il fenomeno sottostante è lo stesso, non importa dove tu vada: una particella carica che si muove più velocemente della luce si muove in un mezzo emetterà un cono di radiazione blu, rallentando mentre rivela informazioni sulla sua energia e quantità di moto. Non riesci ancora a superare il limite di velocità cosmico, ma a meno che tu non sia in un vero vuoto perfetto, puoi sempre andare più veloce della luce. Tutto ciò che serve è abbastanza energia.