Radiación Cherenkov Detectada en Régimen 2D

^{Crédito: Argonne National Laboratory} 

^{Por: Amal Pushp, Físico afiliado de Resonance Science Foundation} 

¿Qué ocurre cuando un reactor de alta velocidad muestra un movimiento esencialmente superior a la velocidad del sonido? Se oye un chasquido conocido comúnmente como estampido sónico. De forma análoga a este fenómeno, podría existir algo similar en el caso de la radiación electromagnética, ya que la luz y el sonido tienen muchos puntos en común teniendo en cuenta sus efectos físicos. De hecho, existe un fenómeno similar en el caso de la luz.

Cuando una partícula cargada, como un electrón, viaja más rápido que la velocidad de fase de la luz dentro de un reactor nuclear ligado al agua, se produce una intensa emisión de luz azul. Este efecto recibe el nombre del físico soviético Pavel Cherenkov, que lo observó por primera vez en 1934. En cierto modo, se trata de un análogo óptico del efecto de estampido o boom sónico que se basa esencialmente en las ondas de choque. Se desarrolló una teoría matemática completa del efecto Cherenkov utilizando elementos de la electrodinámica clásica y todos los físicos principales que participaron en la descripción de sus aspectos teóricos y matemáticos, recibieron el premio Nobel en 1958.  

La radiación Cherenkov puede considerarse uno de los efectos más rápidos que la luz (superlumínicos), pero muy especial, ya que está sujeta a las limitaciones del medio en el que se produce el efecto. El espectro de frecuencias del efecto Cherenkov viene dado por la fórmula de Frank-Tamm. Desde que se descubrió el efecto, ha dado lugar a diversas aplicaciones en campos que van de la ciencia médica a la física nuclear, así como en diversas técnicas de detección de partículas.

^{Una partícula (línea roja) se propaga a través de un medio con una velocidad β superior a la velocidad de la luz en dicho medio. Como consecuencia, se produce un cono de radiación conocido como radiación de Cherenkov. El ángulo de apertura θ de este cono da una estimación de la energía de esta partícula. Figura y descripción: Sera Markoff} 

Hasta ahora, la radiación Cherenkov y sus interacciones con distintos sistemas se habían observado en entornos tridimensionales. Ahora, por primera vez, investigadores del Technion de Israel han detectado este fenómeno en el régimen 2D y han descubierto que se comporta de forma muy diferente a lo observado anteriormente [1]. Hasta ahora, su descripción basada en la teoría electromagnética clásica era dominante y suficiente, pero con el descubrimiento actual, el comportamiento cuántico de la radiación parece esencial para explicar los resultados empíricos. 

Al observarse como un efecto de baja dimensión, resultó más fácil sondear la naturaleza cuántica del proceso de emisión y tomar nota de la intensidad de los fotones emitidos durante el proceso de interacción con los electrones. Otra observación interesante resultante de la investigación fue que también se detectaron pruebas indirectas de correlación cuántica o entrelazamiento entre las propiedades del electrón y las de la luz emitida como resultado del movimiento dinámico del electrón. Esta observación resultó esencialmente una sorpresa para los investigadores. 

Además, el último sondeo empírico observó un aumento significativo de la eficacia del fenómeno. En los experimentos anteriores sobre la radiación Cherenkov, aproximadamente uno de cada 100 electrones emitía el fotón Cherenkov. Sin embargo, en el trabajo actual se observó que cada electrón emitía fotones, lo que en esencia supone un avance de más de 2 órdenes de magnitud. Para conocer más detalles del trabajo experimental, así como las opiniones originales de los autores, consulte el artículo de Phys.org.  

Un hecho adicional para el lector es que los datos anteriores muestran que el espectro de emisión de la radiación Cherenkov varía con la profundidad del agua, el gráfico de abajo representa lo mismo. Como se puede observar, la intensidad de los fotones Cherenkov aumenta al disminuir la profundidad del agua. Además, en la representación también se puede observar que la mayoría de los fotones Cherenkov se encuentran en la región azul-violeta del espectro, lo que hace que el efecto sea altamente monocromático y específico. 

^{La radiación Cherenkov producida en el agua se emite a través de un espectro amplio y continuo, y la mayor parte de la luz se produce predominantemente en las regiones azul, violeta y ultravioleta del espectro electromagnético. Fuente: A.Vargas/IAEA} 

En conclusión, podemos decir que, aparte de encontrar una nueva dimensionalidad en la que es aplicable el efecto Cherenkov, el último trabajo del grupo de investigación del Technion proporciona además una sólida confirmación de la naturaleza discreta de la radiación, que es muy bien conocida como paquetes de ondas cuantizadas o fotones. El descubrimiento ofrece la prometedora seguridad de que conceptos sustancialmente antiguos, como la naturaleza fotónica de la radiación electromagnética, aún pueden tener verificaciones renovadas y nuevas pruebas empíricas (quizá también nuevos efectos) que aporten pruebas convincentes de tales fenómenos.   

Referencias 

[1] Yuval Adiv et al, Observation of 2D Cherenkov Radiation, Physical Review X (2023). DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011002