Radiación de Cherenkov

Radiación electromagnética de una partícula cargada en un medio

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

La radiación de Cherenkov ( / tʃ ə ˈ r ɛ ŋ k ɒ f / ^[1] ) (también conocida como radiación de Čerenkov o 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 de Cherenkov es el característico resplandor azul de un reactor nuclear submarino . Su causa es similar a la causa de un estampido sónico , el sonido agudo que se escucha cuando se produce un movimiento más rápido que el sonido. El fenómeno recibe su nombre del físico soviético Pavel Cherenkov .

Historia

La radiación recibe su nombre del científico soviético Pavel Cherenkov, ganador del Premio Nobel en 1958 , quien 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 fue 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 comúnmente. Descubrió la anisotropía de la radiación y llegó a la conclusión de que el brillo azulado no era un fenómeno fluorescente.

Una teoría de este efecto fue desarrollada más tarde en 1937 ^[5] dentro del marco de la teoría de la relatividad especial de Einstein por los colegas de Cherenkov, Igor Tamm e Ilya Frank , quienes también compartieron el Premio Nobel de 1958.

La radiación de Cherenkov en forma de 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 ambas habían sido rápidamente descartadas tras la restricción de la teoría de la relatividad a las partículas superlumínicas 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 origen. En 1926, el radioterapeuta francés Lucien Mallet describió la radiación luminosa del agua irradiada con radio, que tenía un espectro continuo. ^[10]

En 2019, un equipo de investigadores del Norris Cotton Cancer Center de Dartmouth y Dartmouth-Hitchcock descubrió que la luz de Cherenkov se generaba 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 cerebral, pero los efectos nunca se habían observado experimentalmente. ^[12]

Origen físico

Lo esencial

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 como ralentizada por el medio. Por ejemplo, en el agua es solo 0,75 ‍ c . La materia puede acelerarse a una velocidad mayor que 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 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 de Cherenkov durante la parada programada de reabastecimiento de combustible y mantenimiento de la Unidad 2 de Arkansas Nuclear One (ANO-2)

El efecto puede describirse intuitivamente de la siguiente manera. De la física clásica, se sabe que las partículas cargadas en aceleración emiten ondas EM y, a través del 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 , para , el índice de refracción ). 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 dio para lograr la excitación en forma de fotones. Estos fotones forman los frentes de onda esféricos que se pueden ver originándose en 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 agruparse, pero no coinciden ni se cruzan, y por lo tanto 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 la interferencia constructiva conduce a una señal de luz observada en forma de cono en un ángulo característico: luz de Cherenkov. ${\displaystyle c/n}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle v_{\text{p}}<c/n}$ ${\displaystyle v_{\text{p}}>c/n}$

Animación de la radiación de 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 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 al viajar a través de un aislante.

La velocidad que debe superarse es la velocidad de fase de la luz, en lugar de la velocidad de grupo de la luz. La velocidad de fase se puede alterar drásticamente utilizando un medio periódico, y en ese caso se puede incluso lograr una radiación Cherenkov sin una velocidad mínima de las partículas, un fenómeno conocido como el 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 las partículas. ^[14]

Radiación de 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: "Esta radiación peculiar evidentemente no puede explicarse mediante ningún mecanismo común, como la interacción del electrón rápido con un átomo individual o como dispersión radiactiva 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". ^[15]

Ángulo de emisión

La geometría de la radiación de Cherenkov mostrada 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 donde es la velocidad de la luz en el vacío , y es el índice de refracción del medio. Si el medio es agua, la condición es , ya que para el agua a 20 °C. ${\displaystyle v_{\text{p}}}$ $${\displaystyle {\frac {c}{n}}<v_{\text{p}}<c,}$$ ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle 0.75c<v_{\text{p}}<c}$ ${\displaystyle n\approx 1.33}$

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

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

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

Ángulo de emisión arbitrario

La radiación de Cherenkov también puede irradiar 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 rápido ( ), 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 da una propiedad "promedio" efectiva muy diferente de sus materiales constituyentes, en este caso con permitividad negativa y permeabilidad negativa ). Esto significa que, cuando una partícula cargada (generalmente 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 de cola a partir de su progreso a través del medio en lugar de por delante de él (como es el caso en materiales normales con permitividad y permeabilidad positivas). ^[17] 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 se puede tratar como un metamaterial efectivamente homogéneo. ^[14]

En el vacío

El efecto Cherenkov puede ocurrir en el vacío. ^[18] En una estructura de ondas lentas, como en un tubo de ondas viajeras (TWT), la velocidad de fase disminuye y la velocidad de las partículas cargadas puede superar la velocidad de fase mientras permanece inferior a . En un sistema de este tipo, 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 pueden crear estructuras de corriente eléctrica que viajan más rápido que la luz mediante la radiación con las mismas propiedades de la radiación Cherenkov típica. ^[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 Cherenkov. Los electrones siguen siendo 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 Cherenkov de 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 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 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 Cherenkov. Por eso se observa que la radiación Cherenkov visible es de un azul brillante. De hecho, la mayor parte de la radiación Cherenkov se encuentra en el espectro ultravioleta ; solo se vuelve visible con cargas suficientemente aceleradas; la sensibilidad del ojo humano alcanza su pico 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 cumplirse. El índice de refracción varía con la frecuencia (y, por lo 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). En frecuencias de rayos X , el índice de refracción se vuelve menor que 1 (nótese que en los medios, la velocidad de fase puede exceder c sin violar la relatividad) y, por lo tanto, no se observaría emisión de rayos X (o emisiones de longitud de onda más corta, como rayos gamma ). Sin embargo, los rayos X se pueden generar a frecuencias especiales justo por debajo de las frecuencias correspondientes a las transiciones electrónicas centrales en un material, ya que el índice de refracción a menudo es mayor que 1 justo por debajo de una frecuencia resonante (ver Relación de Kramers-Kronig y Dispersión anómala ). ${\displaystyle \cos \theta =1/(n\beta )}$ ${\displaystyle n}$

Al igual que en los estampidos sónicos y las ondas 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 de emisión de radiación Cherenkov. El ángulo alcanza 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 se pueden utilizar para calcular la dirección y la velocidad de una carga productora de radiación Cherenkov.

La radiación de Cherenkov puede generarse en el ojo cuando partículas cargadas chocan con 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 biomoléculas por medios enzimáticos y sintéticos y posteriormente pueden detectarse fácilmente en pequeñas cantidades con el fin de dilucidar las vías biológicas y caracterizar la interacción de moléculas biológicas como las constantes de afinidad y las tasas de disociación.

Imágenes médicas de radioisótopos y radioterapia de haz externo

Emisión de luz Cherenkov obtenida de 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 Cherenkov se ha utilizado para obtener imágenes de sustancias en el cuerpo. ^{[25] [26] [27]} Estos descubrimientos han generado un gran interés en torno a la idea de utilizar esta señal luminosa para cuantificar y/o detectar la 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 ^18F y 13N o los emisores beta 32P o 90Y tienen una emisión Cherenkov medible [ ^28] y los isótopos ^18F y ^131I se han obtenido imágenes 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 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 visualizarse en las superficies de entrada y salida del tejido. ^[31] La luz Cherenkov emitida desde el tejido del paciente durante la radioterapia es una señal de nivel de luz muy bajo, pero puede detectarse mediante cámaras especialmente diseñadas que sincronizan su adquisición con los pulsos del acelerador lineal. ^[32] La capacidad de ver esta señal muestra la forma del haz de radiación cuando incide sobre el tejido en tiempo real. ^[33]

Reactores nucleares

Radiación de Cherenkov en una piscina del 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 y se atenúa a medida que se desintegran los productos de vida más corta. De manera similar, la radiación Cherenkov puede caracterizar la radiactividad restante de las barras de combustible gastado. Este fenómeno se utiliza para verificar la presencia de combustible nuclear gastado en piscinas de combustible gastado con fines de salvaguardia nuclear. ^[34]

Experimentos de astrofísica

Cuando un fotón gamma de alta energía ( TeV ) o un rayo cósmico interactúa con la atmósfera de la Tierra , puede producir un par electrón- positrón con enormes velocidades. 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 de Imágenes Atmosféricas Cherenkov ( IACT ), por experimentos como VERITAS , HESS , MAGIC . La radiación Cherenkov emitida en tanques llenos de agua por esas partículas cargadas que llegan a la Tierra se utiliza para el mismo objetivo en el experimento Extensive Air Shower HAWC , el Observatorio Pierre Auger y otros proyectos. Se utilizan métodos similares en detectores de neutrinos muy grandes , 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 observatorio Cherenkov sin obtención de imágenes, que estaba ubicado 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 remanentes de supernovas y los blazares .

Experimentos de física de partículas

La radiación de Cherenkov se utiliza habitualmente en la física experimental de partículas 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 de Cherenkov que emite en un determinado medio. Si se mide el momento de la partícula de forma independiente, se podría calcular la masa de la partícula mediante su momento y velocidad (véase cuatrimomentos ) y, por 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 ( , donde es la velocidad de la luz , y es el índice de refracción del medio) observando si esta partícula emite luz Cherenkov en un cierto medio. Conociendo el momento de la partícula, uno puede separar partículas más ligeras que un cierto umbral de aquellas más pesadas que el umbral. ${\displaystyle v_{0}=c/n}$ ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle n}$

El tipo más avanzado de detector es el RICH, o detector Cherenkov de imagen en anillo , 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 de Cherenkov. Se utilizan tanto detectores de enfoque como de enfoque de proximidad. En un detector RICH de enfoque, los fotones son recogidos por un espejo esférico y enfocados sobre 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 la partícula. 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 por proximidad, un volumen delgado de radiador emite un cono de luz Cherenkov que atraviesa 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 de Cherenkov y el espacio de proximidad. El grosor del anillo está determinado por el grosor del radiador. Un ejemplo de un detector RICH de espacio de proximidad es el High Momentum Particle Identification Detector (HMPID), ^[35] un detector actualmente en construcción para ALICE ( A Large Ion Collider Experiment ), uno de los seis experimentos del LHC ( Gran Colisionador de Hadrones ) en el CERN .

Véase 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 la 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 de un reactor nuclear en YouTube
• Puesta en marcha del reactor nuclear (enlace alternativo) en YouTube
• Radović, Andrija (2002). "Las partículas de Cherenkov como magnetones" (PDF) . Journal of Theoretics . 4 (4): 1–5. Archivado desde el original (PDF) el 2016-03-04 . Consultado el 2015-09-30 .