La majestuosa radiación de Cherenkov

Cherenkov_CCHEN

Radiación de Cherenkov en el reactor del Centro de Estudios Nucleares de La Reina (CCHEN)

Hace un tiempo contaba cómo mi interés por la física nuclear comenzó cuando niño. En esos años deseaba aprender más sobre el funcionamiento de los reactores nucleares, esa maravilla tecnológica inventada por el gran Enrico Fermi en la que reacciones nucleares podían controlarse. Investigando un poco me enteré de la existencia de la Comisión Chilena de Energía Nuclear (CCHEN) y del Centro de Estudios Nucleares (CEN) de La Reina, ubicado al oriente de Santiago, en el que un reactor nuclear se usa para aplicaciones agrícolas, industriales y médicas, además de investigación. Quería saber más al respecto. Hoy en día sólo bastaría con una búsqueda en Google, sin embargo en aquellos años conseguir información de cualquier cosa era difícil y las muchas horas escarbando libros en diferentes bibliotecas no resultó muy fructífero. En 1997 me uní a la Academia Albert Einstein (la academia científica de mi liceo), donde además de acceso a equipos de laboratorio encontré un folleto informativo de la CCHEN. Recuerdo que dos cosas capturaron mi interés: un evento anual en el que premiaban a estudiantes destacados de todas las regiones del país invitándolos a visitar el CEN; y una foto de su reactor nuclear, el que mostraba la piscina con un brillante e intenso color azul, una imagen similar a la mostrada arriba. Ese azul intenso me desconcertó porque no sabía que el centro de un reactor nuclear brillaba, pensaba que eso era ficción; y además hubiese esperado un brillo verde, por culpa de caricaturas y películas de ficción que muestran que la radioactividad produce un brillo verde pero no ese azul majestuoso.

Recuerdo que tuve tres reacciones diferentes: 1) woohoo! tengo la dirección postal del CEN por lo que podría escribirles, 2) ¿qué es ese resplandor azul? y 3) algún día tengo que visitar el reactor y ver ese resplandor azul en vivo. Me senté frente a una vieja máquina de escribir que había en mi casa y redacté una carta a la CCHEN pidiendo más información sobre su reactor; con ilusión pegué la estampilla y lancé el sobre por la ranura del buzón en la oficina del correo. Espectacular fue llegar a mi casa varias semanas más tarde cuando un enorme sobre con el logo de CCHEN me esperaba: me enviaron muchos folletos sobre aplicaciones de la energía nuclear, seguridad nuclear y protección radiológica. Lamentablemente los documentos eran en blanco y negro por lo que en la única imagen del reactor apenas se distinguía el resplandor azul, sin embargo en su descripción entregaba valiosa información: decía que partículas emitidas en las reacciones nucleares se movían más rápido que la luz en el agua por lo que emitían esa luz azul llamada radiación de Cherenkov.

La historia de la radiación de Cherenkov llena de orgullo a físicos rusos, ya que en este país fue oficialmente descubierta, estudiada y explicada. A fines del siglo XIX, Maxwell había establecido los cimientos de la teoría electromagnética, permitiendo el estudio y caracterización matemática de los fenómenos eléctricos y magnéticos. Las ecuaciones de Maxwell predicen que una carga eléctrica que acelera (cambia su velocidad) emite radiación, lo que fue espectacularmente verificado por Heinrich Hertz, iniciando una revolución en las comunicaciones que continúa hasta nuestros días. En 1886, Hertz descubrió que al acelerar cargas eléctricas se produce radiación electromagnética, ondas que se propagan a la velocidad de la luz, lo que llevó al nacimiento las antenas así como el envío y recepción de señales inalámbricas.
La teoría de Maxwell y los experimentos de Hertz dejaban claro que para generar radiación una carga eléctrica debe acelerar. Sin embargo, en 1888 el físico inglés Oliver Heaviside se cuestionó si una carga eléctrica podría emitir radiación sin acelerar, es decir, al moverse a velocidad constante. Heaviside publicó en 1889 un par de artículos en los que muestra que esto sería posible si la velocidad fuese mayor a la de la luz (la relatividad especial todavía no existía) [1]. Sin embargo sólo hablar de radiación producida por cargas a velocidad constante en una época en que ni siquiera el electrón había sido descubierto era casi una herejía y la idea de Heaviside pasó al olvido.

En forma independiente, el físico alemán Arnold Sommerfeld, el supervisor doctoral de lumbreras del siglo XX como Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli y Hans Bethe, se cuestionó qué pasaría si una carga eléctrica pudiera moverse más rápido que la luz. En 1904, Sommerfeld encontró que un electrón superlumínico emitiría radiación, a pesar de moverse a velocidad constante, muy similar a la idea de Heaviside [2]. Sin embargo, el año siguiente sería el famoso año maravilloso de Einstein y la teoría de la relatividad especial en 1905 estableció que nada puede moverse más rápido que la luz, dejando el estudio de Sommerfeld junto al de Heaviside en el baúl de los recuerdos.

Mientras la física teórica vivía una revolución, los laboratorios del mundo estaban maravillados con recientes descubrimientos como los rayos X, la radioactividad y fenómenos como la luminiscencia. En el centro de este mundo estaba Marie Curie, estableciéndose como una de las grandes científicas del siglo XX y sorprendiendo al mundo con sus descubrimientos. Desde principios de siglo, los esposos Curie notaron un brillo azulado en botellas que contenían sales de radio (elemento cuyo descubrimiento le dio un segundo Premio Nobel a Madame Curie en 1911), sin embargo la recién descubierta radioactividad mantuvo muy ocupados a los Curie como para profundizar en este misterioso brillo que erróneamente identificaron como luminiscencia. A mediados de la década de 1920 el físico francés Lucien Mallet estudió el fenómeno en mayor detalle notando que el tenue brillo azulado era emitido por objetos transparentes cuando tenían una fuente radiactiva cerca; también midió su intensidad a varias frecuencias (energías) pero luego de publicar sus resultados perdió el interés [3].

El mismo año que Sommerfeld imaginaba partículas más rápidas que la luz, en una pequeña villa de la zona rural en el centro de Rusia nacía Pavel Cherenkov. Estudió física y matemáticas en la Universidad de Voronezh y luego de enseñar en una escuela, en 1930 se trasladó a Leningrado para realizar su doctorado. En 1932 comenzó su trabajo de tesis doctoral bajo la supervisión de Sergei Vavilov en luminiscencia activada por rayos gamma en líquidos. Vavilov era reconocido por sus pares como un tímido genio a quien todos querían escuchar ya que su intuición física le permitía reconocer cuándo un fenómeno tenía una importancia profunda. En 1934, Vavilov fue elegido director del recién establecido Instituto de Física Pyotr Lebedev en Moscú, donde se trasladó llevándose a Pavel a su nueva institución. Cherenkov es recordado como un estudiante promedio, sin mucha experiencia pero con mucha paciencia y con gran capacidad de análisis, muy crítico y riguroso con sus experimentos. Una combinación apropiada para dejar su huella en la historia de la física.

Al poco tiempo trabajando en el nuevo instituto, Pavel llamó la atención de su supervisor por la observación de un resplandor azul que no podía explicar. Al igual que los Curie, Cherenkov interpretó su observación como luminiscencia, sin embargo le expresó a Vavilov que había algo extraño y encantador en este tenue brillo azulado. Vavilov supuso que era imposible que nadie hubiese observado este fenómeno antes, le aseguró a Pavel que los Curie deberían haberlo notado, pero curiosamente nadie lo había estudiado a fondo. Allí fue cuando Vavilov tuvo uno de sus momentos que lo identificaban: le pidió a su estudiante determinar todas las propiedades de esta luz azul asegurándole que esa radiación era algo más que simple luminiscencia. Con la paciencia y rigurosidad que lo caracterizaban y con el continuo apoyo de Vavilov, Cherenkov realizó varios experimentos para medir las características de esta radiación. Estos experimentos eran bastante tediosos y complejos, sin embargo los períodos que Pavel dejaba el laboratorio los usaba en acaloradas discusiones con su supervisor y con varios físicos teóricos del Instituto Lebedev. En particular, Ilya Tamm (director del departamento de física teórica) y un joven Igor Frank (también estudiante de Vavilov) se interesaron en las observaciones de Cherenkov. Uniendo fuerzas para intentar explicar teóricamente sus observaciones, se lanzaron a la caza de una nueva interpretación del efecto medido por Pavel. Luego de mucho trabajo, Frank y Tamm desarrollaron una fórmula matemática que podría describir la radiación de Vavilov-Cherenkov (como se le conoce en Rusia). La fórmula de Frank-Tamm señala que la radiación es producida cuando una partícula eléctricamente cargada se mueve más rápido que la luz en un medio material y pierde energía, emitiéndola (por conservación de la energía) en forma de luz.*

¿Más rápido que la luz? Sí, más rápido que la luz en un medio material. La relatividad establece que nada puede moverse más rápido que la luz en el vacío, sin embargo en un líquido (y muchos otros medios materiales como el aire o el vidrio) la luz se mueve más lento. Las últimas tres palabras (en el vacío) son usualmente olvidadas en las frases que hablan de la velocidad límite de una partícula, pero son fundamentales: la relatividad especial establece que ninguna partícula puede moverse a más de 300.000 km/s (la velocidad de la luz en el vacío), sin embargo nada prohibe que una partícula, por ejemplo un electrón, se mueva más rápido que la luz en el agua, donde un fotón se mueve a sólo 226.000 km/s. Es decir, un electrón puede moverse más rápido que un fotón en el agua y aun así respetar el límite impuesto por la relatividad. Este detalle crucial es el que permitió a Frank y Tamm elaborar su fórmula y darle una correcta interpretación.

Frank y Tamm se dieron cuenta que cuando un electrón atraviesa un medio material, este atraerá cargas opuestas (positivas) en su camino, este fenómeno se llama polarización. Luego, cada punto del camino recorrido por el electrón en el material se neutraliza rápidamente (se despolariza) y emite radiación a medida que el electrón se aleja. Si esta radiación se mueve más rápido que el electrón en el material entonces la radiación emitida por cada punto se interfiere destructivamente, cancelando el efecto, es decir, no se observa radiación alguna emitida en el material. Esto es parecido a un pato en una laguna que se mueve lentamente: ondas pueden verse en el agua emitidas en todas direcciones desde el lugar donde se mueve el pato, pero a grandes distancias el efecto desaparece porque las ondas se cancelan mutuamente.**
patosAl contrario, si el electrón se mueve más rápido que la radiación emitida a lo largo de su trayectoria entonces esta no alcanza a cancelarse y la radiación emitida en cada punto se suma a la anterior. El electrón continúa su camino generando más y más radiación a su paso. Siguiendo con la analogía anterior, cuando el pato se mueve en cierta dirección en el agua deja una estela que se mueve con forma de trángulo (lo mismo produce un barco en movimiento). Similar a la radiación de Cherenkov es el fenómeno que ocurre cuando un avión se mueve más rápido que el sonido, produciendo una fuerte onda formada por la suma de las anteriores denominada onda de choque, comúnmente denominada boom sónico. Por esto la radiación descrita por la fórmula de Frank-Tamm es muchas veces llamada un boom luminoso, aunque el término puede ser inapropiado ya que no hay un “boom” sino que un “flash”.

Cherenkov_radiation_animationAsí como la estela producida por el pato en el agua sólo llegará hasta alguien ubicado delante del pato (alguien detrás del pato no recibirá la estela), la fórmula de Frank-Tamm predice que la radiación de Cherenkov no se emite en todas direcciones sino que sólo en la dirección de movimiento del electrón.

CherenkovPhoto

Asimetría de la radiación de Cherenkov en agua y benceno (adaptado*** de [4])

Esta característica permitiría verificar su fórmula por lo que Frank y Tamm sugirieron a Pavel diseñar un experimento intentando medir esta asimetría de la radiación. Cherenkov volvió a su laboratorio y diseñó un experimento capaz de medir esta asimetría; el resultado: todas las características predichas por Tamm y Frank fueron confirmadas por los experimentos. La fórmula de Frank-Tamm permite también calcular la frecuencia (energía) a la cual la radiación es más intensa. Esta fórmula señala que la radiación de Cherenkov es más intensa en el rango ultravioleta y azul del espectro, lo que explica el color del tenue brillo observado en las botellas por Marie Curie y Cherenkov, así como el intenso azul que hoy en día caracteriza a un reactor nuclear. Eso explica el resplandor que tanta curiosidad me causó al ver aquel folleto de la CCHEN hace muchos años.
En la piscina de un reactor nuclear, rayos gamma producen pares electrón-positrón, los que al moverse más rápido que la luz en el agua emiten radiación de Cherenkov. Estos rayos gamma son continuamente emitidos en todas direcciones, por esto en un reactor se observa un resplandor continuo en vez de un destello.

El éxito de la colaboración entre teoría (Frank-Tamm) y experimento (Vavilov-Cherenkov) fue celebrado en la comunidad rusa cuando fueron comunicados en una serie de publicaciones [5,6,7], sin embargo para comunicar el descubrimiento al resto del mundo había que escribir un artículo en inglés. Vavilov tenía sólo 46 años, pero ya gozaba de gran prestigio y una posición estable por lo que velando por el reconocimiento de su estudiante, le propuso a Cherenkov que escribiera el artículo en inglés como único autor explicando sus experimentos. Este noble gesto ha sido siempre destacado por los científicos rusos, por lo que en Rusia siempre se habla del efecto Vavilov-Cherenkov, para reconocer la humildad de Sergei. Cherenkov redactó un breve artículo titulado “Radiadión visible producida por electrones moviéndose en un medio a velocidades superiores a la de la luz” (Visible radiation produced by electrons moving in a medium with velocities exceeding that of light [4]) y lo envió a la prestigiosa revista Nature. Para su sorpresa y decepción, el trabajo fue recibido con escepticismo y rechazado por considerarse especulativo. Devastado ante el rechazo, Pavel encontró una vez más apoyo en su supervisor que lo animó a no darse por vencido ya que las grandes ideas en la física siempre encuentran obstáculos, por lo que esto podría ser una buena señal. Animado por Vavilov, Pavel envió su artículo esta vez a la prestigiosa revista estadounidense Physical Review, donde fue aceptado como una breve carta al editor, apenas una página. En este breve artículo, Cherenkov explica sus experimentos y observaciones así como la confirmación de la fórmula de sus colegas en el Instituto Labedev. Luego de publicarse en agosto de 1937, laboratorios de todo el mundo confirmaron sus resultados, lo que hizo famosos a Cherenkov, Frank y Tamm. Además Pavel propuso que la fórmula de Frank-Tamm podría invertirse y usarse para determinar la velocidad de una partícula cargada en un material al medir la radiación de Cherenkov. Esto revolucionó la física de partículas y la astrofísica con el desarrollo de nuevos detectores de partículas usados hasta nuestros días. Los detectores basados en el efecto Cherenkov permitieron medir partículas cargadas con una gran precisión y han sido uno de los más importantes desarrollos tecnológicos desde las cámaras de burbujas.
El nombre de Cherenkov quedó plasmado en detectores, métodos, y hasta los telescopios más modernos usados para estudiar los fenómenos más energéticos del universo (Cherenkov telescopes). En física de neutrinos, los enormes experimentos como IceCube y Super-Kamiokande funcionan también siguiendo la idea de Cherenkov.

Nobel1958Por el enorme impacto de su trabajo, Cherenkov, Frank y Tamm recibieron el Premio Nobel de Física en 1958 por el descubrimiento y la interpretación del efecto Cherenkov. El noble acto de Vavilov aseguró que su estudiante recibiera el merecido crédito por su arduo trabajo y además evitó un dolor de cabeza al Comité Nobel (no más de tres personas pueden recibir el premio). En su discurso al recibir el Premio, Tamm destacó el importante rol de Vavilov en el estudio y comprensión del efecto que sólo en Rusia lleva su apellido. El mismo Cherenkov siempre incluyó el nombre de su supervisor al describirlo como efecto Vavilov-Cherenkov y llamó a sus colegas a hacer lo mismo. Vavilov nunca aceptó y hasta su muerte se refería con orgullo al efecto Cherenkov.

En 1999, varios años después de encontrarme con su folleto y de recibir el sobre con información, recibí otra carta de la CCHEN; esta vez era una invitación para representar a mi liceo y región durante una semana en su centro nuclear junto a un grupo de 20 estudiantes de todo el país. Además de participar en varias actividades incluyendo visitas a laboratorios y charlas sobre seguridad nuclear y usos pacíficos de la energía nuclear, tuve al fin la oportunidad de visitar el reactor y ver la majestuosa radiación de Cherenkov en vivo (misión cumplida). Aunque han pasado 15 años, agradezco a la Comisión Chilena de Energía Nuclear por esta oportunidad, así como por enviarme fotos de su reactor hace poco.

El otoño de 2013 estuve en Groningen al norte de Países Bajos visitando a dos físicos amigos, Jacob y Keri, que trabajan allí. Me llevaron a conocer la ciudad y discutíamos sobre la radiación de Cherenkov mientras caminábamos junto a uno de los muchos canales que cruzan la ciudad cuando nos detuvimos a mirar unos patos. Les comenté que me era imposible no pensar en radiación de Cherenkov al ver la estela que dejaban en el agua. Keri me agradeció por arruinar la simplicidad de un pato nadando. Desde que estudié la radiación de Cherenkov no puedo evitar sonreír al ver la estela dejada por un pato nadando.

*: una presentación de la fórmula de Frank-Tamm puede encontrase aquí.

**: esto es sólo una analogía, ondas en el agua experimentan también otros efectos. Además el ángulo de la estela en la radiación de Cherenkov depende de la velocidad de la partícula, en el agua en cambio la estela tiene siempre el mismo ángulo (cerca de 39°). Este fenómeno fue estudiado por Lord Kelvin a fines del s. XIX (acá más información).

***: figura adaptada de Ref. [4] sólo para uso educativo y apropiadamente citando la fuente original, de acuerdo a las Políticas de Derechos de Autor de la American Physical Society.

Referencias
[1] O. Heaviside, Electrician (November 23) 83 (1889); Phil. Mag. 27, 324 (1889)
[2] A. Sommerfeld, Gesell. Wiss. Göttingen, Nachr., Math. Phys. Klasse 2, 99 (1904)
[3] L. Mallet, C R Acad Sci (Paris) 183, 274 (1926)
[4] P.A. Cherenkov, Phys. Rev. 52, 378 (1937)
[5] P.A. Cherenkov, Dokl. Akad. Nauk SSSR 2, 451 (1934)
[6] S.I. Vavilov, Dokl. Akad. Nauk SSSR 2, 457 (1934)
[7] I.E. Tamm & I.M Frank, Dokl. Akad. Nauk SSSR 14, 107 (1937)
[8] V.L. Ginzburg, Phys. Usp. 39 973–982 (1996).
[9] J.V. Jelley, Cerenkov Radiation and its Applications, Pergamon Press (1958).

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Acerca de Jorge Diaz

Jorge es físico teórico. Obtuvo su Ph.D. en Física de Partículas en Indiana University, EEUU y luego trabajó como investigador postdoctoral en el Karlsruher Institut für Technologie, Alemania. Aunque su especialidad son los neutrinos y la física nuclear, ahora se dedica a Machine Learning en una industria de software. En Twitter: @jsdiaz_
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21 respuestas a La majestuosa radiación de Cherenkov

  1. El artículo es realmente extraordinario. Cuando he visto que Marie Curie estaba con enlace he pensado que era a la wiki y no lo he pulsado. Ya había imprimido y guardado tu post cuando he ido a mi blog y en los comentarios he visto el enlace. Ni te cuento lo contenta que me he puesto. Un verdadero honor!!!! Te lo agradezco infinitamente.
    Un beso
    Laura

    • Jorge Diaz dijo:

      Hola Laura, me alegra que te gustara el artículo. Evito al máximo enlazar artículos de Wikipedia ya que sólo contienen datos, un buen artículo en un blog en cambio tiene un toque personal. El enlazar un artículo en un blog es mi manera de decirle al lector “hey, deberías leer este artículo” y tu narración de Marie Curie es uno de esos artículos.

    • Naia Pereda dijo:

      Mientras lo leía estaba pensando que te iba a encantar, Laura. Voy a los comentarios y… aquí estás, la primera. A mí también me ha enganchado desde el principio al fin. Aunque todavía no sé por qué la radiación de Cherenkov es azul.
      Enhorabuena al autor, he disfrutado y aprendido mucho con la lectura.

  2. Pingback: Lecturas de Domingo (51) | Ciencias y cosas

  3. Pingback: La majestuosa radiación de Cherenkov

  4. amarashiki dijo:

    Genial artículo…Hablé también yo de este efecto y de la fórmula en mi blog…Si quieres te pongo enlaces…

    • Jorge Diaz dijo:

      Hola amarashiki, acabo de leer tu artículo sobre el efecto Cherenkov, bastante completo. Acá hago lo posible por evitar fórmulas ya que este blog está orientado a una audiencia diferente. Excelente presentación de la derivación de la fórmula de Frank-Tamm. Un saludo.

  5. amarashiki dijo:

    Sí, pero considero que puede ser útil para algunos lectores que quieran ver algo más. Imagino perfectamente tu audiencia “target” con tu blog, pero simplemente creía conveniente “autocitarme” (no soy prolijo en eso en la web). Si lo deseas, pon mis artículos como referencias “para ampliar”. Puede que haya algún lector interesado, nunca se sabe…
    Y enhorabuena por el blog tú también, llevas unos cuantos posts seguidos de alta calidad. Sigue así. :).

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  9. Pingback: Radiación Cherenkov |

  10. Jorge ,la parte de la deducción matemática de la interacción del neutrino con los núcleos del medio en este caso agua , tendrás algún link , o algo al respecto?

  11. Pacis dijo:

    Excelente artículo debo decir! soy alumna de Tecnología Médica mención Imagenología y Física Médica y para nosotros comprender estos conceptos y efectos es de suma importancia, está explicado de una forma muy didáctica y dan ganas de seguir leyendo sobre el tema. Además, el entusiasmo demostrado en saber más sobre los reactores y llegar al punto de conocer uno en la CCHEN por cosas de la vida es notable, una experiencia que yo también espero tener. Seguiré el blog atenta a nuevos artículos, saludos! :)

  12. Pingback: Mensajeros cósmicos I: rayos cósmicos | Conexión causal

  13. Gabi dijo:

    ” … en la piscina de un reactor nuclear, rayos gamma producen pares electrón-positrón …”
    En cambio por mucha energía que tenga un rayo gamma no puede crear pares en el vacío, una demostración:
    http://forum.lawebdefisica.com/entries/593-Imposibilidad-de-la-creaci%C3%B3n-de-pares-electr%C3%B3n-%E2%80%93-positr%C3%B3n-en-el-vac%C3%ADo

  14. Victor Palma dijo:

    Excelente!!!!, me aclaró dudas a partir de dibujos y así podré continuar con la lectura de “Como se registran las partículas”, A. Borovói editorial MIR…gracias

  15. Pingback: Burbujas en la cerveza y algo de física | Conexión causal

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