radiación Cherenkov

Si bien la velocidad de la luz en el vacío es una constante universal ( c = 299.792.458 m/s ), la velocidad en un material puede ser significativamente menor, ya que se percibe que el medio la ralentiza. Por ejemplo, en el agua es de tan solo ~0,75 c . La materia puede acelerarse a una velocidad superior a esta (aunque todavía menor que c , la velocidad de la luz en el vacío) durante las reacciones nucleares y en los aceleradores de partículas . La radiación Cherenkov se produce cuando una partícula cargada, generalmente un electrón , viaja a través de un medio dieléctrico a una velocidad mayor que la de la luz en ese medio.

El efecto puede describirse intuitivamente de la siguiente manera. Desde la física clásica, se sabe que las partículas cargadas aceleradas emiten ondas electromagnéticas y, mediante el principio de Huygens, estas ondas formarán frentes de onda esféricos que se propagan con la velocidad de fase de ese medio (es decir, la velocidad de la luz en ese medio dada por${\displaystyle c/n}$, para${\displaystyle n}$, el índice de refracción ). Cuando una partícula cargada atraviesa un medio, las partículas de este se polarizan a su alrededor en respuesta. La partícula cargada excita las moléculas del medio polarizable y, al regresar a su estado fundamental , las moléculas reemiten la energía que recibieron para excitarse en forma de fotones. Estos fotones forman los frentes de onda esféricos que se pueden observar originándose en la partícula en movimiento. Si${\displaystyle v_{\text{p}}<c/n}$Es decir, si la velocidad de la partícula cargada es menor que la velocidad de la luz en el medio, entonces el campo de polarización que se forma alrededor de la partícula en movimiento suele ser simétrico. Los frentes de onda emitidos correspondientes pueden agruparse, pero no coinciden ni se cruzan, y por lo tanto no hay efectos de interferencia que considerar. En la situación inversa, es decir,${\displaystyle v_{\text{p}}>c/n}$El campo de polarización es asimétrico con respecto a la dirección del movimiento de la partícula, ya que las partículas del medio no tienen tiempo suficiente para recuperar sus estados aleatorios "normales". Esto da como resultado formas de onda superpuestas (como en la animación) y la interferencia constructiva produce una señal de luz cónica observable en un ángulo característico: la luz Cherenkov.

Una analogía común es el estampido sónico de un avión supersónico . Las ondas sonoras generadas por el avión viajan a la velocidad del sonido, que es menor que la velocidad del avión, y no pueden propagarse hacia adelante, formando en cambio un frente de choque cónico . De manera similar, una partícula cargada puede generar una "onda de choque" de luz visible al atravesar un aislante.

La velocidad que debe superarse es la velocidad de fase de la luz, no la velocidad de grupo . La velocidad de fase puede modificarse drásticamente mediante el uso de un medio periódico, y en ese caso incluso se puede lograr la radiación Cherenkov sin una velocidad mínima de partícula, un fenómeno conocido como el efecto Smith-Purcell . En un medio periódico más complejo, como un cristal fotónico , también se pueden obtener diversos efectos Cherenkov anómalos, como la radiación en dirección inversa (véase más adelante), mientras que la radiación Cherenkov ordinaria forma un ángulo agudo con la velocidad de la partícula. ^{[ 13 ]}

En su trabajo original sobre los fundamentos teóricos de la radiación Cherenkov, Tamm y Frank escribieron: «Esta peculiar radiación evidentemente no puede explicarse mediante ningún mecanismo común, como la interacción del electrón rápido con un átomo individual o la dispersión radiativa de electrones en núcleos atómicos. Por otro lado, el fenómeno puede explicarse tanto cualitativa como cuantitativamente si se tiene en cuenta que un electrón que se mueve en un medio sí emite luz, incluso si se mueve uniformemente, siempre que su velocidad sea mayor que la velocidad de la luz en dicho medio». ^{[ 14 ]}

En la figura sobre la geometría, la partícula (flecha roja) viaja en un medio con velocidad${\displaystyle v_{\text{p}}}$de tal manera que $${\displaystyle {\frac {c}{n}}<v_{\text{p}}<c}$$,

dónde${\displaystyle c}$es la velocidad de la luz en el vacío y${\displaystyle n}$es el índice de refracción del medio. Si el medio es agua, la condición es${\displaystyle 0,75c<v_{\text{p}}<c}$, desde${\displaystyle n\approx 1.33}$para agua a 20  °C.

Definimos la relación entre la velocidad de la partícula y la velocidad de la luz como $${\displaystyle \beta ={\frac {v_{\text{p}}}{c}}.}$$Las ondas de luz emitidas (indicadas por flechas azules) viajan a velocidad $${\displaystyle v_{\text{em}}={\frac {c}{n}}.}$$

La esquina izquierda del triángulo representa la ubicación de la partícula superlumínica en un instante inicial ( t = 0 ). La esquina derecha del triángulo es la ubicación de la partícula en un instante posterior t. En el instante t dado , la partícula recorre la distancia $${\displaystyle x_{\text{p}}=v_{\text{p}}t=\beta \,ct}$$ mientras que las ondas electromagnéticas emitidas están constreñidas a viajar la distancia $${\displaystyle x_{\text{em}}=v_{\text{em}}t={\frac {c}{n}}t.}$$

Por lo tanto, el ángulo de emisión resulta en $${\displaystyle \cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}}$$

La radiación Cherenkov también puede irradiar en una dirección arbitraria utilizando metamateriales unidimensionales diseñados adecuadamente . ^{[ 15 ]} Este último está diseñado para introducir un gradiente de retardo de fase a lo largo de la trayectoria de la partícula que viaja rápido (${\displaystyle d\phi /dx}$), invirtiendo o dirigiendo la emisión Cherenkov en ángulos arbitrarios dados por la relación generalizada: $${\displaystyle \cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}+{\frac {n}{k_{0}}}\cdot {\frac {d\phi }{dx}}}$$

Nótese que, dado que esta relación es independiente del tiempo, se pueden tomar tiempos arbitrarios y obtener triángulos semejantes . El ángulo permanece constante, lo que significa que las ondas subsiguientes generadas entre el tiempo inicial t = 0 y el tiempo final t formarán triángulos semejantes con vértices derechos coincidentes con el mostrado.

Se puede experimentar un efecto Cherenkov inverso utilizando materiales denominados metamateriales de índice negativo (materiales con una microestructura sublongitudinal que les confiere una propiedad "promedio" efectiva muy diferente a la de sus materiales constituyentes, en este caso con permitividad y permeabilidad negativas ). Esto significa que, cuando una partícula cargada (generalmente electrones) atraviesa un medio a una velocidad mayor que la velocidad de fase de la luz en dicho medio, la partícula emite radiación de seguimiento a lo largo de su recorrido a través del medio, en lugar de delante de él (como ocurre en los materiales normales con permitividad y permeabilidad positivas). ^{[ 16 ]} También se puede obtener dicha radiación Cherenkov de cono inverso en medios periódicos no metamateriales donde la estructura periódica está en la misma escala que la longitud de onda, por lo que no puede tratarse como un metamaterial efectivamente homogéneo. ^{[ 13 ]}

El efecto Cherenkov puede ocurrir en el vacío. ^{[ 17 ]} En una estructura de onda lenta, como en un tubo de onda viajera (TWT), la velocidad de fase disminuye y la velocidad de las partículas cargadas puede exceder la velocidad de fase mientras permanece por debajo de${\displaystyle c}$En dicho sistema, este efecto puede derivarse de la conservación de la energía y el momento, donde el momento de un fotón debería ser${\displaystyle p=\hbar \beta }$(${\displaystyle \beta }$es constante de fase ) ^{[ 18 ]} en lugar de la relación de De Broglie${\displaystyle p=\hbar k}$La radiación Cherenkov de vacío (VCR) se utiliza para generar microondas de alta potencia. ^{[ 19 ]}

Se puede crear radiación con las mismas propiedades que la radiación Cherenkov típica mediante estructuras de corriente eléctrica que viajan más rápido que la luz. ^{[ 20 ]} Al manipular los perfiles de densidad en configuraciones de aceleración de plasma , se crean estructuras de hasta nanoculombios de carga que pueden viajar más rápido que la velocidad de la luz y emitir choques ópticos en el ángulo Cherenkov. Los electrones siguen siendo sublumínicos, por lo que los electrones que componen la estructura en un tiempo t = t ₀ son diferentes de los electrones en la estructura en un tiempo t > t ₀ .

La radiación Cherenkov se utiliza ampliamente para facilitar la detección de pequeñas cantidades y bajas concentraciones de biomoléculas . ^{[ 23 ]} Los átomos radiactivos como el fósforo-32 se introducen fácilmente en las biomoléculas por medios enzimáticos y sintéticos y, posteriormente, pueden detectarse fácilmente en pequeñas cantidades con el fin de dilucidar vías biológicas y caracterizar la interacción de moléculas biológicas, como constantes de afinidad y tasas de disociación.

Más recientemente, la luz Cherenkov se ha utilizado para obtener imágenes de sustancias en el cuerpo. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} Estos descubrimientos han generado un gran interés en la idea de utilizar esta señal luminosa para cuantificar y/o detectar radiación en el cuerpo, ya sea de fuentes internas como radiofármacos inyectados o de radioterapia de haz externo en oncología. Radioisótopos como los emisores de positrones ¹⁸ F y ¹³ N o los emisores beta ³² P o ⁹⁰ Y tienen emisión Cherenkov medible ^{[ 27 ]} y los isótopos ¹⁸ F y ¹³¹ I se han utilizado para obtener imágenes en humanos con el fin de demostrar su valor diagnóstico. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

Se ha demostrado que la radioterapia de haz externo induce una cantidad sustancial de luz Cherenkov en el tejido tratado, debido a haces de electrones o fotones con energías en el rango de 6 MV a 18 MV. Los electrones secundarios inducidos por estos rayos X de alta energía dan como resultado la emisión de luz Cherenkov, donde la señal detectada puede ser visualizada en las superficies de entrada y salida del tejido. ^{[ 30 ]} La luz Cherenkov emitida por el tejido del paciente durante la radioterapia es una señal de muy bajo nivel de luz, pero puede ser detectada por cámaras especialmente diseñadas que sincronizan su adquisición con los pulsos del acelerador lineal. ^{[ 31 ]} La capacidad de ver esta señal muestra la forma del haz de radiación a medida que incide sobre el tejido en tiempo real. ^{[ 32 ]}

La radiación Cherenkov se utiliza para detectar partículas cargadas de alta energía. En los reactores de piscina abierta , las partículas beta (electrones de alta energía) se liberan a medida que los productos de fisión se desintegran. El brillo persiste después de que cesa la reacción en cadena, atenuándose a medida que se desintegran los productos de vida más corta. De manera similar, la radiación Cherenkov puede caracterizar la radiactividad residual de las barras de combustible gastado. Este fenómeno se utiliza para verificar la presencia de combustible nuclear gastado en las piscinas de combustible gastado con fines de salvaguardias nucleares. ^{[ 33 ]}

Cuando un fotón gamma de alta energía ( TeV ) o un rayo cósmico interactúa con la atmósfera terrestre , puede producir un par electrón- positrón con velocidades enormes. La radiación Cherenkov emitida en la atmósfera por estas partículas cargadas se utiliza para determinar la dirección y la energía del rayo cósmico o rayo gamma, lo que se emplea, por ejemplo, en la técnica de imagen Cherenkov atmosférica ( IACT ), en experimentos como VERITAS , HESS y MAGIC . La radiación Cherenkov emitida en tanques llenos de agua por esas partículas cargadas que llegan a la Tierra se utiliza con el mismo fin en el experimento de cascada atmosférica extensa HAWC , el Observatorio Pierre Auger y otros proyectos. Métodos similares se emplean en detectores de neutrinos muy grandes , como el Super-Kamiokande , el Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO) e IceCube . Otros proyectos que operaron en el pasado aplicando técnicas relacionadas, como STACEE , una antigua torre solar reacondicionada para funcionar como un observatorio Cherenkov sin capacidad de formación de imágenes, que estaba ubicada en Nuevo México .

Los observatorios astrofísicos que utilizan la técnica Cherenkov para medir las cascadas atmosféricas son clave para determinar las propiedades de los objetos astronómicos que emiten rayos gamma de muy alta energía, como los remanentes de supernovas y los blázares .

La radiación Cherenkov se utiliza comúnmente en la física experimental de partículas para la identificación de partículas. Se puede medir (o limitar) la velocidad de una partícula elemental con carga eléctrica a partir de las propiedades de la luz Cherenkov que emite en un medio determinado. Si se mide el momento lineal de la partícula de forma independiente, se puede calcular su masa a partir de su momento lineal y su velocidad (véase cuadrimomento ) y, por lo tanto, identificar la partícula.

El tipo más simple de dispositivo de identificación de partículas basado en una técnica de radiación Cherenkov es el contador de umbral, que responde si la velocidad de una partícula cargada es menor o mayor que un cierto valor (${\displaystyle v_{0}=c/n}$, dónde${\displaystyle c}$es la velocidad de la luz y${\displaystyle n}$(donde es el índice de refracción del medio) al observar si esta partícula emite luz Cherenkov en un medio determinado. Conociendo el momento de la partícula, se pueden separar las partículas más ligeras que un cierto umbral de aquellas más pesadas que dicho umbral.

El tipo de detector más avanzado es el RICH, o detector Cherenkov de imagen anular , desarrollado en la década de 1980. En un detector RICH, se produce un cono de luz Cherenkov cuando una partícula cargada de alta velocidad atraviesa un medio adecuado, a menudo llamado radiador. Este cono de luz se detecta en un detector de fotones plano sensible a la posición, que permite reconstruir un anillo o disco, cuyo radio es una medida del ángulo de emisión Cherenkov. Se utilizan detectores de enfoque y de proximidad. En un detector RICH de enfoque, los fotones son recogidos por un espejo esférico y enfocados en el detector de fotones situado en el plano focal. El resultado es un círculo con un radio independiente del punto de emisión a lo largo de la trayectoria de la partícula. Este esquema es adecuado para radiadores de bajo índice de refracción, como los gases, debido a la mayor longitud del radiador necesaria para generar suficientes fotones. En el diseño de proximidad, más compacto, un volumen delgado de radiador emite un cono de luz Cherenkov que recorre una pequeña distancia (el espacio de proximidad) y se detecta en el plano del detector de fotones. La imagen es un anillo de luz cuyo radio está definido por el ángulo de emisión Cherenkov y la brecha de proximidad. El grosor del anillo está determinado por el grosor del radiador. Un ejemplo de un detector RICH de brecha de proximidad es el Detector de Identificación de Partículas de Alto Momento (HMPID), ^{[ 34 ]} un detector actualmente en construcción para ALICE ( A Large Ion Collider Experiment ), ^{[ 35 ]} uno de los seis experimentos en el LHC ( Large Hadron Collider ) en el CERN .