¿Por qué la luz Cherenkov es azul? Explicaciones y fenómeno físico

Descripción de la onda de choque y el cono de Mach

Antes de explicar el efecto Cherenkov, es necesario comprender el fenómeno que crea la onda de choque producida detrás de un avión que supera la velocidad del sonido (≈340 m/s).
Cuando la velocidad del avión es menor que la velocidad del sonido, las ondas sonoras se propagan alrededor de él en todas las direcciones. Estas esferas concéntricas de presión de aire aumentan su radio en 340 metros cada segundo, y el avión siempre está dentro del frente de onda. Así, las ondas sonoras producidas por los choques de las moléculas de aire se mueven más rápido que el avión y su energía se disipa lentamente con el cuadrado de la distancia (i=p/4πr2).
Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad del avión, las ondas delante de él se acercan cada vez más y se comprimen, mientras que las ondas detrás se estiran. Este efecto de dilatación y contracción de las frecuencias sonoras causa el efecto Doppler (¡el sonido de los objetos que se acercan parece más agudo!).
La intensidad de las ondas sonoras puede sumarse como las alturas de las olas pueden combinarse cuando se encuentran. Mientras el avión se mueva más lentamente que las ondas sonoras que crea, las ondas permanecen confinadas entre sí sin que su energía se sume.

Pero cuando el avión alcanza la velocidad del sonido, mientras genera nuevas ondas desde su posición actual, las ondas que están en la misma fase se reúnen, se acumulan frente a él y la presión aumenta abruptamente, formando una onda de choque. Luego, la presión disminuye a lo largo del avión para volver a aumentar abruptamente en la cola del avión. Estas dos sobrepresiones provocan dos estallidos supersónicos tan cercanos que nuestro oído percibe solo uno. Este estallido no es oído por los pasajeros porque el choque de presión situado detrás del avión no puede alcanzarlo. Las ondas de choque se propagan entonces en un cono conocido como el cono de Mach.
En el momento en que la velocidad del avión supera Mach 1, atraviesa instantáneamente la barrera de aire comprimido que se había formado frente a él, lo que se conoce como la barrera del sonido. La onda de choque producida provoca variaciones bruscas en la presión y la temperatura del aire circundante. A veces, la temperatura del aire desciende por debajo del punto de rocío, haciendo que el vapor de agua contenido en el aire se condense en gotas finas formando una nube que acompaña al avión en su vuelo supersónico como se muestra en la foto adjunta.

Explicación del Efecto Cherenkov

La luz Cherenkov, del físico ruso Pavel Cherenkov (1904-1990), es un destello de luz producido por una partícula cargada cuando se mueve a través de un medio material (como agua o aire) a una velocidad superior a la velocidad de la luz en ese medio. La velocidad de la luz en el vacío siempre sigue siendo mayor que esta.
La analogía entre el efecto Cherenkov y la onda de choque supersónica es fácil de imaginar.
Un avión que viaja más rápido que el sonido en el aire crea una onda de choque en la que todas las ondas sonoras convergen. La correspondencia con el efecto Cherenkov se hace reemplazando el avión por una partícula cargada y el sonido por la luz.
En un medio material como el agua o el aire, la luz se mueve a una velocidad de c1 = c/n.
c = velocidad de la luz en el vacío
n = índice de refracción del medio, siempre > 1 (ejemplos: aire=1.0003, agua=1.333, fibra óptica=1.5, diamante=2.41)
Una partícula cargada puede moverse en este medio a una velocidad v mayor que c1 pero aún menor que c, lo que no contradice la teoría de la relatividad restringida.
¿Qué explica esta emisión radiativa azul en el agua?
La partícula cargada interactúa a lo largo de su trayectoria con el medio que atraviesa. Durante su viaje a través del agua, perturba temporalmente los átomos que encuentra. En otras palabras, los electrones se desvían de su posición inicial y luego regresan a su lugar. Así, cada átomo encontrado por la partícula libera la energía absorbida y se convierte en un emisor de radiación. Todas las ondas emitidas por cada uno de los átomos se superponen de manera desordenada, tienen fases diferentes, de modo que su suma se cancela.

Sin embargo, la velocidad de la partícula cargada en el agua, que se puede asimilar al avión supersónico, es más rápida que la velocidad de la onda emitida por cada átomo en el agua. Cuando la partícula supera la velocidad de la luz en el medio, todas las ondas se alinean en la misma fase y, por lo tanto, se suman constructivamente, al igual que en el caso de la onda de choque supersónica. Este fenómeno crea un frente de onda análogo a la barrera del sonido en el cono de Mach. Se produce una transición abrupta a lo largo de toda la trayectoria de la partícula, aproximadamente 10 mil millones de veces por metro. El efecto Cherenkov se manifiesta a lo largo del trayecto mediante la emisión de una onda luminosa en todas las longitudes de onda, con predominio en el azul y el ultravioleta.
Estos destellos permiten explicar la luz azul en las piscinas de enfriamiento de combustibles usados en las plantas nucleares. Se debe a los electrones energéticos emitidos por la radiactividad que alcanzan velocidades superiores a la de la luz en el agua.
Los detectores Cherenkov están ubicados en grandes cubas de agua y se utilizan para detectar partículas de muy alta energía (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array, Super-Kamiokande).
La luz Cherenkov también interviene en la detección de neutrinos producidos en reacciones nucleares en el núcleo del Sol (Sudbury Neutrino Observatory).
Los astronautas de las misiones Apollo se quejaron de ver destellos de fosfenos durante sus misiones. Se descubrió que estas alteraciones visuales se debían al efecto Cherenkov. Las partículas del viento solar que atraviesan el líquido de los globos oculares producen destellos de fosfenos. Tales destellos de fosfenos también ocurren en la Tierra, a una tasa promedio de uno o dos por persona al año.