La radiación Cherenkov: cuando las partículas superan la velocidad de la luz en el agua

Un dato curioso sobre la radiación Cherenkov es que la investigación para fabricar detectores Cherenkov eficientes en los años 60 llevó al desarrollo de principios ópticos que todavía se usan hoy para diseñar sistemas de iluminación y concentradores solares.

El difunto profesor Roland Winston trabajó en este problema y descubrió una geometría que podía concentrar la luz de una fuente difusa como la radiación Cherenkov hacia un detector con un rendimiento casi ideal ( https://doi.org/10.1063/1.1720428 ). Resulta que transferir eficientemente la luz de fuentes difusas tiene aplicaciones mucho más allá de la detección de radiación Cherenkov, así que Winston fundó el campo de la Óptica No Imagen y pasó gran parte del resto de su carrera desarrollando los fundamentos del campo y reuniendo a una comunidad de científicos que lo llevaran hacia adelante.

Yo mismo investigo en este campo, y encuentro la óptica y los principios que hay detrás infinitamente fascinantes

El artículo tiene una sección sobre para qué se puede usar, pero solo menciona los usos del IAEA.

Por supuesto, tengo un sesgo porque trabajo en el campo, pero de lejos la aplicación más amplia de la radiación Cherenkov es la detección de partículas de alta energía, particularmente en astrofísica.

- Los telescopios Cherenkov atmosféricos de imagen detectan la radiación Cherenkov emitida en la atmósfera cuando un rayo cósmico o rayo gamma de alta energía crea una cascada atmosférica

- Los Water Cherenkov Detectors detectan luz Cherenkov cuando las partículas secundarias de estas cascadas atmosféricas llegan a tanques de agua en el suelo

- Los telescopios de neutrinos como kamiokande, Icecube y km3net detectan radiación Cherenkov en agua o hielo producida por partículas secundarias generadas por las raras interacciones de los neutrinos en sus volúmenes de detección

La astrofísica moderna de alta energía consiste en detectar distintos tipos de radiación Cherenkov y luego reconstruir las propiedades de la partícula original.

Me tomó mucho tiempo desarrollar una intuición sobre la luz y la propagación de ondas electromagnéticas, y todavía sigo trabajando en ello.

Fundamentalmente, los cambios en el campo EM siempre se propagan con la velocidad de la luz en el vacío, es decir, c (también conocida como la velocidad de la causalidad). Las ondas EM individuales se propagan exactamente a esta velocidad y no se ralentizan mágicamente en un medio... ¡se propagan felizmente a velocidad c! (Para tu información, las ondas EM son más complicadas que esto e implican campos eléctricos y magnéticos evolucionando juntos).

Pero como la radiación EM interactúa con la materia y esta interacción a su vez cambia de nuevo el campo EM, resulta en más ondas EM que también se propagan a c. Por lo tanto, se propagan juntas y el resultado neto puede ser constructivo o destructivo, así como cualquier cosa intermedia. Si tienen frecuencias diferentes, también pueden crear patrones de "interferencia" o envolventes de pulso que parecen propagarse más lento e incluso más rápido que c.

Sin duda las causas y los efectos no son fáciles de entender, pero a mí me ayudó siempre pensar en términos de cambios en el campo EM que SIEMPRE se propagan a c.

No tengo idea de si todavía lo hacen, o si esto era una opción abierta al público general o si era algo especial para nuestro grupo, pero hace mucho tiempo, al principio de mi adolescencia, pude recorrer el reactor de pruebas del NIST en Boulder, Colorado.

En un momento del recorrido, encendieron el reactor mientras estábamos de pie a lo largo de los bordes de la piscina en la que estaba sumergido. Literalmente, todo lo que nos separaba de la magia de la fisión eran unos 5-6 metros de agua. Todavía recuerdo el resplandor azul eléctrico de la radiación Cherenkov. Incluso con décadas de vida, experiencia y educación entre aquel momento y ahora, es difícil describir el impacto psíquico de observar con mis propios ojos algo que hasta entonces había entendido como imposible. Algo parecido a ver Narnia a través del armario por primera vez.

Ya me interesaba la física en ese entonces (había acompañado a un hermano durante un día en la University of Washington, y unos años antes había podido asistir a una clase sobre fisión nuclear en el curso de física para estudiantes de humanidades que ella estaba tomando en ese momento), pero esto fue algo completamente distinto. Con todo esto quiero decir que ya entendía que los dragones existen, por así decirlo, pero hay una diferencia entre entenderlo y sentir su aliento en la cara.

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¿Cómo puede algo viajar más rápido que la luz?

> Nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz en el vacío. Sin embargo, en otros medios, las partículas pueden potencialmente moverse más rápido que la luz. Por ejemplo, mientras que en el agua la luz se ralentizaría instantáneamente al 75% de su velocidad normal, hay otras partículas que no se ralentizan tanto y terminan moviéndose más rápido que la luz. Cada vez que eso ocurre, se produce un resplandor azul o violeta.

Después de leer esta respuesta, no quedé más sabio.

Para ser precisos, lo que llamamos la "velocidad de la luz" es la velocidad límite a la que la información y los efectos causales pueden propagarse a través del espacio-tiempo. En el vacío, coincide con la velocidad de propagación de los fotones, es decir, de la luz. En otros medios o bajo ciertas condiciones, sin embargo, la luz puede propagarse a una velocidad menor que

, sin cambiar el límite fundamental impuesto por la relatividad.

Así que usar "velocidad de la luz" para denotar es un poco engañoso

Varios comentarios aquí mencionan que nada va más rápido que la luz en el vacío, lo cual es correcto.

Pero...

Dejando de lado todas las consideraciones sobre causalidad, si una partícula fuera más rápido que la luz, también emitiría radiación Cherenkov en el vacío, ya que esa partícula iría más rápido que la luz. Eso sería una especie de estallido supersónico. Algunas teorías sobre esto dicen que cuando una partícula va más rápido que la luz, pierde su energía y emite fotones.

IANAP (sí, no soy físico), pero me encantaría escuchar una teoría sobre cómo podrían detectarse esas partículas FTL si existieran, y cuál podría ser la observación, probablemente proveniente de este efecto Cherenkov en el vacío. De nuevo, sé que esto va contra toda la física, ¡pero la teoría sería genial!