Radiación Cherenkov

Radiación electromagnética de una partícula cargada en un medio.

Radiación Cherenkov brillando en el núcleo del reactor de pruebas avanzadas del Laboratorio Nacional de Idaho

La radiación de Cherenkov ( / tʃ ə ˈ r ɛ ŋ k ɒ f / ^[1] ) (también conocida como Čerenkov o radiación de Cerenkov ^[2] ) es una radiación electromagnética emitida cuando una partícula cargada (como un electrón ) pasa a través de un medio dieléctrico ( como agua destilada ) a una velocidad mayor que la velocidad de fase (velocidad de propagación de un frente de onda en un medio) de la luz en ese medio. ^[3] Un ejemplo clásico de radiación Cherenkov es el característico resplandor azul de un reactor nuclear submarino . Su causa es similar a la causa de un boom sónico , el sonido agudo que se escucha cuando se produce un movimiento más rápido que el sonido. El fenómeno lleva el nombre del físico soviético Pavel Cherenkov .

Historia

La radiación lleva el nombre del científico soviético Pavel Cherenkov, premio Nobel de 1958 , que fue el primero en detectarla experimentalmente bajo la supervisión de Sergey Vavilov en el Instituto Lebedev en 1934. Por lo tanto, también se la conoce como radiación Vavilov-Cherenkov . ^[4] Cherenkov vio una tenue luz azulada alrededor de una preparación radiactiva en agua durante los experimentos. Su tesis doctoral versó sobre la luminiscencia de soluciones de sales de uranio que eran excitadas por rayos gamma en lugar de luz visible menos energética, como se hacía habitualmente. Descubrió la anisotropía de la radiación y llegó a la conclusión de que el resplandor azulado no era un fenómeno fluorescente.

^{Posteriormente, en 1937 [5],} los colegas de Cherenkov, Igor Tamm e Ilya Frank , quienes también compartieron el Premio Nobel de 1958, desarrollaron una teoría de este efecto [5] en el marco de la teoría de la relatividad especial de Einstein .

La radiación de Cherenkov como frentes de onda cónicos había sido predicha teóricamente por el erudito inglés Oliver Heaviside en artículos publicados entre 1888 y 1889 ^[6] y por Arnold Sommerfeld en 1904, ^{[7] pero ambos habían sido rápidamente descartados tras la restricción de las partículas} superluminales impuesta por la teoría de la relatividad hasta la década de 1970. ^[8] Marie Curie observó una luz azul pálida en una solución de radio altamente concentrada en 1910, ^[9] pero no investigó su fuente. En 1926, el radioterapeuta francés Lucien Mallet describió la radiación luminosa del radio que irradia agua y que tenía un espectro continuo. ^[10]

En 2019, un equipo de investigadores del Norris Cotton Cancer Center de Dartmouth y Dartmouth-Hitchcock descubrió que se genera luz de Cherenkov en el humor vítreo de pacientes sometidos a radioterapia . La luz se observó utilizando un sistema de imágenes de cámara llamado CDose, que está especialmente diseñado para ver las emisiones de luz de los sistemas biológicos. ^{[11] [12]} Durante décadas, los pacientes habían informado fenómenos como "destellos de luz brillante o azul" ^[13] cuando recibían tratamientos de radiación para el cáncer de cerebro, pero los efectos nunca se habían observado experimentalmente. ^[12]

origen fisico

Lo esencial

Mientras que 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 lo frena. Por ejemplo, en agua es sólo 0,75 c . La materia puede acelerar a una velocidad superior a ésta (aunque todavía inferior a c , la velocidad de la luz en el vacío) durante reacciones nucleares y en aceleradores de partículas . La radiación de Cherenkov se produce cuando una partícula cargada, más comúnmente un electrón , viaja a través de un medio dieléctrico (puede polarizarse eléctricamente) con una velocidad mayor que la velocidad de la luz en ese medio.

Radiación Cherenkov durante la parada programada de mantenimiento y reabastecimiento de combustible de la Unidad Nuclear One 2 de Arkansas (ANO-2)

El efecto se puede describir intuitivamente de la siguiente manera. Por la física clásica, se sabe que las partículas cargadas en aceleración emiten ondas electromagnéticas y, mediante el principio de Huygens, estas ondas formarán frentes de ondas esféricos que se propagan con la velocidad de fase de ese medio (es decir, la velocidad de la luz en ese medio dada por , para , la refracción) . índice ). Cuando cualquier partícula cargada pasa a través de un medio, las partículas del medio se polarizarán a su alrededor en respuesta. La partícula cargada excita las moléculas en el medio polarizable y al regresar a su estado fundamental , las moléculas reemiten la energía que se les ha dado para lograr la excitación en forma de fotones. Estos fotones forman frentes de onda esféricos que se pueden ver procedentes de la partícula en movimiento. Si , es decir, 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 estar agrupados, pero no coinciden ni se cruzan, por lo que no hay efectos de interferencia a considerar. En la situación inversa, es decir , el campo de polarización es asimétrico a lo largo de 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 una interferencia constructiva conduce a una señal luminosa en forma de cono observada en un ángulo característico: la luz de Cherenkov. ${\displaystyle c/n}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle v_{\text{p}}<c/n}$ ${\displaystyle v_{\text{p}}>c/n}$

Animación de la radiación Cherenkov.

Una analogía común es el estallido sónico de un avión supersónico . Las ondas sonoras generadas por el avión viajan a la velocidad del sonido, que es más lenta que la del avión, y no pueden propagarse hacia adelante desde el avión, sino que forman un frente de choque cónico . De manera similar, una partícula cargada puede generar una "onda de choque" de luz visible mientras viaja a través de un aislante.

La velocidad que debe superarse es la velocidad de fase de la luz y no la velocidad de grupo de la luz. La velocidad de fase se puede alterar drásticamente mediante el uso de un medio periódico, y en ese caso se puede incluso lograr radiación Cherenkov sin una velocidad mínima de partícula, un fenómeno conocido como efecto Smith-Purcell . En un medio periódico más complejo, como un cristal fotónico , también se pueden obtener una variedad de otros efectos Cherenkov anómalos, como la radiación en dirección inversa (ver más abajo), mientras que la radiación Cherenkov ordinaria forma un ángulo agudo con la velocidad de la partícula. ^[14]

Radiación Cherenkov en el Laboratorio de Radiación Lowell de la Universidad de Massachusetts

En su trabajo original sobre los fundamentos teóricos de la radiación de Cherenkov, Tamm y Frank escribieron: "Evidentemente, esta radiación peculiar no puede explicarse mediante ningún mecanismo común, como la interacción del electrón rápido con un átomo individual o como dispersión radiativa de electrones en los núcleos atómicos". Por otra parte, el fenómeno puede explicarse tanto cualitativa como cuantitativamente si se tiene en cuenta el hecho de que un electrón que se mueve en un medio irradia luz incluso si se mueve uniformemente, siempre que su velocidad sea mayor que la velocidad de la luz en el medio. la médium." ^[15]

Ángulo de emisión

La geometría de la radiación de Cherenkov se muestra para el caso ideal de no dispersión.

En la figura de la geometría, la partícula (flecha roja) viaja en un medio con una velocidad tal que ${\displaystyle v_{\text{p}}}$

$${\displaystyle {\frac {c}{n}}<v_{\text{p}}<c,}$$

la velocidad de la luz en el vacíoíndice de refracción ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle 0.75c<v_{\text{p}}<c}$ ${\displaystyle n\approx 1.33}$

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

$${\displaystyle v_{\text{em}}={\frac {c}{n}}.}$$

La esquina izquierda del triángulo representa la ubicación de la partícula superluminal en algún momento inicial ( t = 0 ). La esquina derecha del triángulo es la ubicación de la partícula en algún momento posterior t. En el tiempo dado t , la partícula recorre la distancia

$${\displaystyle x_{\text{p}}=v_{\text{p}}t=\beta \,ct}$$

$${\displaystyle x_{\text{em}}=v_{\text{em}}t={\frac {c}{n}}t.}$$

Entonces el ángulo de emisión resulta en

$${\displaystyle \cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}}$$

Ángulo de emisión arbitrario

La radiación de Cherenkov también puede irradiarse en una dirección arbitraria utilizando metamateriales unidimensionales diseñados adecuadamente . ^[16] Este último está diseñado para introducir un gradiente de retardo de fase a lo largo de la trayectoria de la partícula que viaja rápidamente ( ), invirtiendo o dirigiendo la emisión de Cherenkov en ángulos arbitrarios dados por la relación generalizada: ${\displaystyle d\phi /dx}$

$${\displaystyle \cos \theta ={\frac {1}{n\beta }}+{\frac {n}{k_{0}}}\cdot {\frac {d\phi }{dx}}}$$

Tenga en cuenta que dado que esta relación es independiente del tiempo, se pueden tomar tiempos arbitrarios y lograr triángulos similares . El ángulo permanece igual, lo que significa que las ondas posteriores generadas entre el tiempo inicial t = 0 y el tiempo final t formarán triángulos similares con extremos derechos coincidentes con el que se muestra.

Efecto Cherenkov inverso

Se puede experimentar un efecto Cherenkov inverso utilizando materiales llamados metamateriales de índice negativo (materiales con una microestructura de sublongitud de onda que les confiere una propiedad "promedio" efectiva muy diferente de sus materiales constituyentes, en este caso teniendo permitividad negativa y permeabilidad negativa ). Esto significa que, cuando una partícula cargada (normalmente electrones) pasa a través de un medio a una velocidad mayor que la velocidad de fase de la luz en ese medio, esa partícula emite radiación rezagada durante su avance a través del medio en lugar de hacerlo delante de él (como es el caso). (como ocurre en materiales normales con permitividad y permeabilidad positivas). ^[17] También se puede obtener dicha radiación de 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. ^[14]

en el vacio

El efecto Cherenkov puede ocurrir en el vacío. ^[18] 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 . En tal sistema, este efecto puede derivarse de la conservación de la energía y el momento, donde el momento de un fotón debería ser ( es constante de fase ) ^[19] en lugar de la relación de De Broglie . Este tipo de radiación (VCR) se utiliza para generar microondas de alta potencia. ^[20] ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle p=\hbar \beta }$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle p=\hbar k}$

Colectivo Cherenkov

Se puede crear radiación con las mismas propiedades de la radiación típica de Cherenkov mediante estructuras de corriente eléctrica que viajan más rápido que la luz. ^[21] 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 de Cherenkov. Los electrones todavía son subluminales, por lo tanto, los electrones que componen la estructura en un momento t=t ₀ son diferentes de los electrones en la estructura en un momento t > t ₀ .

Características

El espectro de frecuencia de la radiación de Cherenkov por una partícula viene dado por la fórmula de Frank-Tamm :

$${\displaystyle {\frac {d^{2}E}{dx\,d\omega }}={\frac {q^{2}}{4\pi }}\mu (\omega )\omega {\left(1-{\frac {c^{2}}{v^{2}n^{2}(\omega )}}\right)}}$$

La fórmula de Frank-Tamm describe la cantidad de energía emitida por la radiación de Cherenkov, por unidad de longitud recorrida y por frecuencia . es la permeabilidad y es el índice de refracción del material a través del cual se mueve la partícula cargada. es la carga eléctrica de la partícula, es la velocidad de la partícula y es la velocidad de la luz en el vacío. ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle \mu (\omega )}$ ${\displaystyle n(\omega )}$ ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle c}$

A diferencia de los espectros de fluorescencia o emisión que tienen picos espectrales característicos, la radiación de Cherenkov es continua. Alrededor del espectro visible, la intensidad relativa por unidad de frecuencia es aproximadamente proporcional a la frecuencia. Es decir, las frecuencias más altas ( longitudes de onda más cortas ) son más intensas en la radiación de Cherenkov. Esta es la razón por la que se observa que la radiación visible de Cherenkov es de un azul brillante. De hecho, la mayor parte de la radiación de Cherenkov se encuentra en el espectro ultravioleta ; sólo con cargas suficientemente aceleradas se vuelve visible; la sensibilidad del ojo humano alcanza su punto máximo en el verde y es muy baja en la porción violeta del espectro.

Existe una frecuencia de corte por encima de la cual la ecuación ya no puede satisfacerse. El índice de refracción varía con la frecuencia (y por tanto con la longitud de onda) de tal manera que la intensidad no puede seguir aumentando en longitudes de onda cada vez más cortas, incluso para partículas muy relativistas (donde v / c es cercano a 1). A frecuencias de rayos X , el índice de refracción llega a ser menor que 1 (tenga en cuenta que en los medios, la velocidad de fase puede exceder c sin violar la relatividad) y, por lo tanto, no se observará ninguna emisión de rayos X (o emisiones de longitud de onda más corta, como los rayos gamma ). Sin embargo, los rayos X se pueden generar a frecuencias especiales justo debajo de las frecuencias correspondientes a las transiciones electrónicas centrales en un material, ya que el índice de refracción suele ser mayor que 1 justo debajo de una frecuencia resonante (consulte la relación Kramers-Kronig y la dispersión anómala ). ${\displaystyle \cos \theta =1/(n\beta )}$ ${\displaystyle n}$

Al igual que en las explosiones sónicas y los arcos de choque, el ángulo del cono de choque está directamente relacionado con la velocidad de la perturbación. El ángulo de Cherenkov es cero en la velocidad umbral para la emisión de radiación de Cherenkov. El ángulo adquiere un máximo a medida que la velocidad de la partícula se acerca a la velocidad de la luz. Por lo tanto, los ángulos de incidencia observados pueden usarse para calcular la dirección y velocidad de una carga productora de radiación de Cherenkov.

La radiación de Cherenkov puede ser generada en el ojo por partículas cargadas que golpean el humor vítreo , dando la impresión de destellos, ^{[22] [23]} como en los fenómenos visuales de rayos cósmicos y posiblemente en algunas observaciones de accidentes de criticidad .

Usos

Detección de biomoléculas marcadas.

La radiación de Cherenkov se utiliza ampliamente para facilitar la detección de pequeñas cantidades y bajas concentraciones de biomoléculas . ^[24] 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 las constantes de afinidad y la disociación. tarifas.

Imágenes médicas de radioisótopos y radioterapia de haz externo.

Emisión de luz de Cherenkov captada desde la pared torácica de una paciente sometida a irradiación de toda la mama, utilizando un haz de 6 MeV de un acelerador lineal en radioterapia.

Más recientemente, la luz de Cherenkov se ha utilizado para obtener imágenes de sustancias en el cuerpo. ^{[25] [26] [27]} Estos descubrimientos han generado un intenso interés en torno a 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. . Los radioisótopos como los emisores de positrones 18 F y 13 N o los emisores beta 32 P o 90 Y tienen una emisión de Cherenkov mensurable ^[28] y se han obtenido imágenes de los isótopos ¹⁸ F y ¹³¹ I en humanos para demostrar su valor diagnóstico. ^{[29] [30]} Se ha demostrado que la radioterapia de haz externo induce una cantidad sustancial de luz Cherenkov en el tejido que se está tratando, debido a haces de electrones o haces de fotones con energía en los rangos 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 se puede visualizar en las superficies de entrada y salida del tejido. ^[31]

Reactores nucleares

Radiación Cherenkov en la piscina de un reactor TRIGA .

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 se desintegran los productos de fisión . El brillo continúa después de que se detiene la reacción en cadena, atenuándose a medida que los productos de vida más corta se desintegran. De manera similar, la radiación Cherenkov puede caracterizar la radiactividad restante de las barras de combustible gastadas. Este fenómeno se utiliza para verificar la presencia de combustible nuclear gastado en piscinas de combustible gastado con fines de salvaguardia nuclear. ^[32]

Experimentos de astrofísica

Cuando un fotón gamma o un rayo cósmico de alta energía ( TeV ) 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, que se utiliza por ejemplo en la Técnica Cherenkov de Imágenes Atmosféricas ( IACT ), mediante experimentos como VERITAS , HESS , MAGIA . La radiación de Cherenkov emitida en tanques llenos de agua por las partículas cargadas que llegan a la Tierra es utilizada con el mismo objetivo por el experimento de ducha de aire extensiva HAWC , el Observatorio Pierre Auger y otros proyectos. Se utilizan métodos similares en detectores de neutrinos de gran tamaño , como el Super-Kamiokande , el Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO) y IceCube . Otros proyectos operaron en el pasado aplicando técnicas relacionadas, como STACEE , una antigua torre solar remodelada para funcionar como un observatorio Cherenkov sin imágenes, que estaba ubicada en Nuevo México .

Los observatorios astrofísicos que utilizan la técnica Cherenkov para medir las lluvias de aire son clave para determinar las propiedades de los objetos astronómicos que emiten rayos gamma de muy alta energía, como los restos de supernovas y los blazares .

Experimentos de física de partículas.

La radiación de Cherenkov se utiliza comúnmente en física de partículas experimental para la identificación de partículas. Se podría medir (o poner límites) a la velocidad de una partícula elemental cargada eléctricamente mediante las propiedades de la luz Cherenkov que emite en un determinado medio. Si el momento de la partícula se mide de forma independiente, se podría calcular la masa de la partícula por su momento y velocidad (ver cuatro momentos ), y así identificar la partícula.

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

El tipo más avanzado de detector es el RICH, o detector Cherenkov de imágenes en anillo , desarrollado en la década de 1980. En un detector RICH, se produce un cono de luz Cherenkov cuando una partícula cargada a 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, lo que permite reconstruir un anillo o disco, cuyo radio es una medida del ángulo de emisión de 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 colocado en el plano focal. El resultado es un círculo con un radio independiente del punto de emisión a lo largo de la trayectoria de partículas. Este esquema es adecuado para radiadores de bajo índice de refracción (es decir, gases) debido a la mayor longitud del radiador necesaria para crear suficientes fotones. En el diseño más compacto de enfoque de proximidad, un volumen delgado de radiador emite un cono de luz Cherenkov que recorre una pequeña distancia (la brecha 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 de Cherenkov y la distancia de proximidad. El espesor del anillo está determinado por el espesor del radiador. Un ejemplo de un detector RICH de brecha de proximidad es el detector de identificación de partículas de alto momento (HMPID), ^[33] un detector actualmente en construcción para ALICE ( A Large Ion Collider Experiment ), uno de los seis experimentos en el LHC ( Large Hadron Collider ). en el CERN .

Ver también

• Radiación Askaryan , radiación similar producida por partículas rápidas sin carga.
• ruido azul
• Bremsstrahlung , radiación producida cuando partículas cargadas son desaceleradas por otras partículas cargadas
• Más rápido que la luz , sobre la propagación conjetural de información o materia más rápida que la velocidad de la luz.
• Fórmula de Frank-Tamm , que da el espectro de radiación de Cherenkov
• Eco de luz
• Lista de fuentes de luz
• Condición sin radiación
• Radioluminiscencia
• taquión
• Radiación de transición

Citas

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Fuentes

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enlaces externos

• Puesta en marcha del reactor nuclear en YouTube
• Puesta en marcha del reactor nuclear (enlace alternativo) en YouTube
• Radovic, Andrija (2002). "Partículas de Cherenkov como magnetones" (PDF) . Revista de Teórica . 4 (4): 1–5. Archivado desde el original (PDF) el 4 de marzo de 2016 . Consultado el 30 de septiembre de 2015 .