Radiação Cherenkov

A radiação de Cherenkov pode ser chamada de física do século XIX, que acidentalmente chegou ao século XX. Ele poderia ter sido previsto (e até certo ponto pelo físico Heaviside ) na década de 1880, mas esse efeito foi descoberto por acaso, possivelmente por Maria e Pierre Curie. Foi cuidadosamente estudado por Pavel Cherenkov na década de 1930 e, após alguns anos, o efeito foi explicado em detalhes por Ilya Mikhailovich Frank e Igor Evgenievich Tamm . Três desses físicos receberam o Prêmio Nobel em 1958 por estudar esse fenômeno.

Nota transl.: em fontes inglesas, quase sempre ao descrever a radiação Cherenkov, os autores correm para mencionar o casal Curie e o fato de que, no início do século 20, eles pareciam observar um tipo de brilho azul em seus experimentos com radiação. No entanto, eles geralmente não indicam a fonte dessas informações; em casos raros, eles escrevem que as informações foram obtidas com base na leitura de um livro de arte, uma biografia do casal Curie, escrita por sua filha Eva.

E na própria biografia sobre o brilho azul, apenas isso é dito:

“E entre o galpão escuro, vasos de vidro com preciosas partículas de rádio, dispostas por falta de armários, simplesmente em mesas, em prateleiras de madeira pregadas nas paredes, brilham com silhuetas fosforescentes azuladas, como se estivessem no escuro.” // "Pierre e Marie Curie", trad. do francês S. A. Shukarev, Evgeny Fedorovich Korsh, ed. 1959

Que tipo de observação foi essa? Cherenkov estudou a luz azul que apareceu no momento em que objetos radioativos (contendo átomos, cujo núcleo se decompõe em outros núcleos, expelindo partículas de alta energia, entre as quais existem elétrons e pósitrons) foram colocados ao lado da água e de outros materiais transparentes. Agora sabemos que qualquer partícula eletricamente carregada, como um elétron que se move com energia suficiente pela água, ar ou outro meio transparente, emitirá luz azul. Essa luz se move de uma partícula em um determinado ângulo para a direção do seu movimento.

O que está havendo? Como Frank e Tamm entenderam, este é um choque fotônico, semelhante a um boom sônico que ocorre quando uma aeronave supersônica se move mais rápido que a velocidade do som ou a excitação criada por um navio que viaja pela água. A luz em um meio transparente se moverá a uma velocidade diferente da velocidade da luz no vácuo devido à interação entre a luz e as partículas carregadas (elétrons e núcleos atômicos) que compõem esse meio. Por exemplo, na água, a luz viaja cerca de 25% mais lenta que no vácuo! Portanto, é mais fácil para um elétron de alta energia viajar mais rápido que a luz que se move na água e, ao mesmo tempo, não exceder a velocidade da luz no vácuo. Se essa partícula viaja através da água, cria uma onda de explosão eletromagnética, semelhante a uma onda de explosão criada por um avião supersônico no ar denso. Essa onda vem de uma partícula, assim como uma onda sonora vem de um avião e transporta energia em muitas formas (comprimentos de onda) de radiação eletromagnética, incluindo luz visível. No final violeta do arco-íris, mais energia é gerada do que no vermelho, de modo que a luz para nossos olhos e cérebro parece azul.

Essa radiação é extremamente útil na física de partículas, porque fornece uma excelente maneira de detectar partículas de alta energia! Não apenas podemos ver a presença de partículas carregadas de alta energia, graças à luz emitida por elas, como podemos compreender muito mais estudando os detalhes dessa luz. Um padrão de radiação preciso pode ajudar a determinar (a) qual caminho uma partícula segue em um meio, (b) quanta energia ela carrega e até (c) algo sobre sua massa (uma vez que os elétrons se espalham no meio e as partículas mais pesadas) comportar-se de maneira diferente). Várias experiências muito importantes, incluindo aquelas que receberam o Prêmio Nobel posteriormente, são baseadas nessa radiação. Entre eles estão experimentos que tiveram um papel importante no estudo de neutrinos, por exemplo, Super-Kamiokande .

A radiação de Cherenkov também é muito útil para verificar a correção da descrição da natureza pela teoria da relatividade de Einstein. Raios cósmicos - partículas que voam do espaço profundo (frequentemente colidindo com algo na atmosfera e gerando cascatas de partículas que podem ser detectadas por detectores na Terra), em casos raros, podem ter uma energia extremamente alta - 100 milhões de vezes maior que a energia dos prótons. O Grande Colisor de Hádrons. Essas partículas (até onde sabemos) foram criadas a uma distância de muitos anos-luz da Terra em eventos astronômicos poderosos como as supernovas. Suponha que a velocidade da luz não seja um limite de velocidade universal e essas partículas viajem mais rápido que a luz no vácuo do espaço. Então essas partículas de alta energia também causariam radiação Cherenkov. E como a jornada deles era longa, eles teriam perdido muita energia com essa radiação. Acontece que essa perda de energia pode ocorrer muito rapidamente e, nesse caso, essas partículas não podiam viajar distâncias astronômicas e manter níveis de energia tão altos, a menos que sua velocidade permanecesse menor que a velocidade da luz.

Em resumo, se raios cósmicos de energias super altas pudessem se mover mais rápido que a luz, não poderíamos observar raios cósmicos com essa energia, porque eles teriam que perder toda a sua energia antes de chegarem à Terra. Mas nós estamos os observando.

Há um pequeno problema: temos quase certeza de que a maioria deles tem uma carga: suas propriedades indicam que participam de forte interação nuclear, e as únicas partículas estáveis ​​que podem percorrer essas distâncias são prótons e, em geral, núcleos atômicos, e todos eles têm uma carga elétrica. Mesmo se você usar esse truque, mas as restrições poderão ser um pouco mais flexíveis, mas ainda assim permanecerão bastante fortes.

A partir disso, podemos concluir: os raios cósmicos de energias ultra-altas (e também geralmente todos os raios cósmicos de baixas energias) não podem se mover mais rápido que a velocidade da luz, pelo menos muito mais rápido. E se esse avanço existir, então suas estimativas, feitas no final dos anos 90 pelos famosos físicos Sidney Coleman e Sheldon Glashow , dizem que esse valor pode ser igual a dez partes de um trilhão de trilhões de dólares. Desde então, essas limitações provavelmente foram aprimoradas graças a dados experimentais.

Da mesma forma, o fato de podermos observar elétrons de alta energia impõe uma restrição em sua velocidade em relação à velocidade da luz. Uma das últimas afirmações sobre as quais li diz que, a partir de observações de elétrons com energias de até 0,5 TeV, segue-se que os elétrons não podem exceder a velocidade da luz em mais de uma parte de mil trilhões.