El Tamiz

Ignora lo accesorio, atesora lo esencial

Esas maravillosas partículas - 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:

Nube de Prandtl-Glauert

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:

Advanced Test Reactor

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 VERITAS estadounidense 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.

Bocados de Inglés

Ciencia, Esas maravillosas partículas, Física

26 comentarios

De: Macluskey
2008-01-29 10:47:35

Interesantísimo, como siempre.
Gracias, Pedro, por dedicar tu tiempo a "desasnarnos".


De: cruzki
2008-01-29 14:12:52

Que luz más tétrica la de la foto. Realmente parece salida del infierno... lo cual no dista mucho de la realidad... no creo que sea muy bueno estar "tan cerca" de un reactor nuclear :S


De: pedrito
2008-01-29 16:50:49

dices que un medio aislante puede ser el agua... comor??


De: Kent Mentolado
2008-01-29 17:53:31

pedrito: Según tengo entendido el agua pura (esto es, H2O) es aislante. El agua con sus sales, minerales y todas esas cosicas que le añadimos al agua potable "al uso", es lo que la convierte en conductora.


De: RAFAEL LOZA
2008-01-29 23:08:52

Magnfico , Gracias .


De: ango
2008-01-29 23:49:16

Cuando dices que "según pasa el electrón, los electrones más externos de los átomos cercanos son atraídos por él" a que te refieres, ¿a qué dos electrones se atraen?

Saludos.


De: Niko54
2008-01-30 05:14:32

Realmente muy interesante toda la serie. Pero me nace una duda. entiendo perfectamente que se produzca el efecto al acelerar electrones en un medio como el agua. Pero no tiene sentido que la luz ultravioleta al aumentarse la energia del sistema se transforme en luz visible, es decir, ¿porque se modifica la frecuencia de la onda electromagnetica en vez de su intensidad?.


De: Carutsu
2008-01-30 06:34:55

Ango: yo iba a decir exactamente lo mismo.

Creo yo que se les ha ido un poco el concepto. Si estoy errado entonces por favor corrijanme que soy ingeniero informático no físico.
El efecto se produce, creo yo, de dos maneras diferentes: si es radiación alfa entonces son partículas cargadas positivamente y ocurre igual que han descrito: las partículas atraen a los electrones pero cuando pasan regresan a su posición inicial y se produce la onda. Por otro lado si son partículas beta, es decir, electrones (y por tanto negativos obviamente) entonces los electrones que viajan empujan a los electrones externos del átomo, pero cuando termina de pasar el electrón viajero, los electrones más internos del átomo rechazan nuevamente al electrón "movido" y regresa a su posición inicial, produciendo el vaivén descrito, es decir, con cualquiera de las dos partículas ocurre lo mismo, la diferencia es que con unas partículas el electrón se repele y con otras es atraído. Espero me haya explicado... y sea cierto :).


De: Pedro
2008-01-30 07:26:04

pedrito,


dices que un medio aislante puede ser el agua… comor??


Lo que dice Kent ;)

Ango/Carutsu,


Cuando dices que “según pasa el electrón, los electrones más externos de los átomos cercanos son atraídos por él” a que te refieres, ¿a qué dos electrones se atraen?


No, a todo lo contrario, por supuesto, pero a veces soy así de bestia. Es el tipo de error que leo cinco veces antes de publicar un artículo pero no "veo", si sabéis lo que quiero decir, y me pasa con relativa frecuencia con los conceptos "a pares", de modo que ¡gracias! Ya está corregido :)

Niko54,


Pero no tiene sentido que la luz ultravioleta al aumentarse la energia del sistema se transforme en luz visible, es decir, ¿porque se modifica la frecuencia de la onda electromagnetica en vez de su intensidad?


No, la luz UV no se convierte en visible: la radiación emitida es de varias frecuencias. El pico de emisión está en el ultravioleta, pero las frecuencias más bajas emitidas llegan al visible (en el extremo azulado), de modo que esa parte es la que podemos ver -- pero la UV también está ahí, y con mucha mayor intensidad que lo que vemos.

Puesto que la intensidad relativa del visible es mucho menor, hace falta una gran intensidad de la radiación total para que podamos ver la parte visible con los ojos. A eso me refiero con "cuando es realmente intensa".

¡Gracias por los comentarios!


De: Nikolai
2008-01-30 17:22:20

siempre me habia preguntado como detectaban las partículas
Pues pregunta solucionada en gran parte... pues supongo que existen otros métodos.

Muy interesante como siempre

"Sonic Boom"
Teniente Guile


De: pedrito
2008-01-30 20:10:43

va, gracias, duda resuelta ;)


De: Nuwanda
2008-02-10 17:47:16

con repecto a la imagen del F-18 rompiendo la velocidad del sonido, es posible que esta acumulacion de ondas sea consecuencia de un caso extremo del efecto Doopler??
y que sucederia si el F-18 continua a exactamente la velocidad del sonido?? por que es evidente que alli es el momento en que la alcanza y la supera.

quiero felicitarte nuevamente por el blog es un sitio genial ya me he pasado unas horas leyendo tus articulos, dispongo de bastante tiempo ya que estoy en vacaciones y en la secundaria aun.


De: Pedro
2008-02-10 21:07:30

Nuwanda,

Si el blog sirve para que te dediques a la ciencia, bienvenido sea ;) Respecto a tus preguntas,


es posible que esta acumulacion de ondas sea consecuencia de un caso extremo del efecto Doopler??


No, es bastante más complejo que el efecto Doppler que, por otro lado, simplemente modifica la frecuencia ,no la amplitud del sonido.


y que sucederia si el F-18 continua a exactamente la velocidad del sonido??


La verdad es que no lo sé -- tal vez se mantuviera la nube a lo largo de su trayectoria, pero tendría que leer más sobre el asunto y pensar sobre ello para darte una contestación coherente :)


De: pako
2008-02-11 08:39:37

según leo "cuando la atmósfera recibe radiación gamma procedente del espacio, se producen verdaderas cascadas de partículas muy energéticas" me vienen a la memoria las imagenes de las auroras boreales ¿son radiacion de Cherenkov?

gracias , Pedro ( y tambien a los "comentaristas", que me aportan muchas ideas aclaratorias)


De: GERARDO
2008-03-25 23:14:59

Me asaltan dudas, como: si las partículas viajan a velocidades cercanas a la de luz, porqué su masa no aumenta y su tiempo se detiene?


De: Pedro
2008-03-26 07:15:04

Gerardo,

Su masa aumenta, y su tiempo se hace más lento (pero no se detiene). ¿Por qué eso te crea dudas? Lo raro sería que no pasase :)


De: Radiación Cherenkov « Universo Cuántico
2008-11-02 15:27:03

[...] Más información en Wikipedia, o en El Tamiz. [...]


De: mariana
2009-02-05 04:37:19

Maravillosa tu explicacion, mas entendible dificil...
Cuando se logra ver el efecto creo que se puede observar el color mas hermoso que la naturaleza nos dio...
Lastima que es peligroso verlo en vivo =(


De: Fandila
2009-02-05 19:24:27

¿La radiación de fondo de micrroondas no será realmente una radiación de Cherenkov?
La materia-energía oscura habrá de ser con seguridad más energética que la visible. No es descartable que en lo invisible puedan existir ondas más rápidas que la luz, si bien correspondientes a partículas increiblemente pequeñas. Por su pequeñez tendrán menos inconveniente para circular por el medio cósmico.
Pero esto aparte ¿por qué no ha de haber "potentes acumulaciones" de radiación, como barrera al movimiento rapidísimo de partículas, en la frecuencia de microondas?
¿De dónde procede realmente el fondo de microondas? De un supuesto bigbang, ¿o es una expresión universal y espontánea de la materia?


De: Rafa
2009-03-06 21:52:03

Excelente Pedro, excelente.
¡Como te lo trabajas!


De: Fabian
2009-07-10 04:47:42

Hola Pedro, me gustaria saber si entre mayor sea la velocidad de la partícula, mayor sea la frecuencia pico de la radioción de Cherencov. Lo digo porque me gustaria que algún dia se pudieran detectectar TAQUIONES, aquellas partículas hipotéticas que viajan más rápido que la luz, si la radiación de Cherencov alcanza frecuencias del orden de los rayos gamma o superior.

Por cierto, si se puede dedícale un artículo a los TAQUIONES.


De: Pedro
2009-07-10 07:10:33

Fabian, no, hay un continuo de frecuencias hasta un tope que no se sobrepasa para ninguna velocidad de las partículas... lo que aumenta es la intensidad de la radiación. Me temo que ese sistema no serviría.


De: Juan Carlos
2012-04-24 21:24:16

Hola a todos.

Aunque algo antiguo el artículo (ni se como llegué a él) tengo un par de inquietudes:

"cuando la atmósfera recibe, por ejemplo, radiación gamma procedente del espacio, se producen verdaderas cascadas de partículas inestables muy energéticas" ¿esto quiere decir que las auroras serían una especie de radiación de Cherenkov?

"Algún día tenemos que dedicar un artículo detallado sobre este asunto y ese nombre tan engañoso de “barrera del sonido”" Disculpas la ignorancia pero... ¿ya está publidado este artículo? :D

Saludos y gracias.


De:
2015-03-03 17:32

Aclaración ( no corrección) los electrones en el agua no viajan más rápido que la luz , ellos van en un especie de túnel sin obstáculos, mientras que los fotones lumínicos son absorbidos y reemitidos constantemente, perdiendo tiempo en este proceso , pero siempre , siempre viajando a 300 mil kms/s

De: Alejandro Coria
2015-03-03 19:02

Anónimo, en ese caso no se está usando la palabra luz como sinónimo de fotón, sino como todo el proceso de radiación electromagnética, que si va más lento.

Aparte que "fotones lumínicos son absorbidos y reemitidos constantemente" es una explicación simplista del proceso. La interacción de los fotones con las diferentes distorsiones del campo electromagnético por parte del medio es mucho más compleja.

De: branco
2015-03-04 00:21

alejandro:por simplista que sea , es real, la luz (espectro visible del campo electromagnetico)viaja a 300 mil km/s en todas partes del universo y los electrones jamas podran viajar a esa velocidad . eso es todo lo que digo ; si hay alguien que pueda decirlo mas elegantemente .disfrutaré leyendolo

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