Partículas que se mueven más rápido que la luz

Imaginemos por un momento un pato. Quiero un pato vivo en un estanque tranquilo. Y no, no se preocupen que no voy a hacer una de esas famosas aproximaciones de la física como la de la vaca esférica. Aquí solo necesito los detalles que se esconden en esa imagen bucólica de un estanque en un día sin viento con un pequeño patito, desplazándose y lejos del horror que el rápido movimiento del agua nos ha traído últimamente.

Quedémonos ahí por un momento para fijarnos en lo que hay alrededor del pato: unas pequeñas ondas, más próximas unas a otras en la dirección del movimiento. No se parecen a las que se forman cuando tiramos una piedra en el estanque, no son circulares. De manera intuitiva, entendemos que acompañan el movimiento del pato, que forman un cono de movimiento, relacionado con su desplazamiento. Un triángulo cuyo ángulo se cierra a medida que aumentamos la velocidad.

Siempre que un objeto, sigamos con el pato, se mueve en un medio, por ejemplo el agua, más rápido que la velocidad a la que se pueden desplazar las ondas en ese medio, genera una perturbación en forma de onda de choque. Es fácil explicarlo de manera intuitiva con el pato porque todos hemos visto alguno moviéndose en el agua. El movimiento de un barco también me sirve para visualizar lo que se conoce como choque de proa. Con un avión ocurre lo mismo, el medio en que se propaga la perturbación es el aire y en este caso se generan ondas de sonido. El avión se desplaza más rápido que el sonido en el medio y genera una onda de choque; sería el equivalente a las ondas de agua que se acumulan por delante de la pechuga del pato. Si el avión adelanta en su desplazamiento a esa onda de choque que le precede rompe la barrera del sonido, vendría acompañado del famoso estruendo y estaríamos hablando entonces de un avión supersónico.

Y ahora vamos a por la luz, porque como dijo el dramaturgo ruso Antón Chéjov: “Si tienes un rifle colgando de la pared en la primera escena de la obra, este deberá ser disparado en el último acto”. Hemos colgado el rifle en el título, así que hay que disparar: si ahora lo que se mueve es una partícula a alta velocidad —por ejemplo, un protón— y la hacemos moverse en agua o en la atmósfera terrestre más rápido que la velocidad de la propagación de la luz en ese medio, genera, también, una onda de choque. Igual que el pato. Entonces, la partícula cargada emite un cierto tipo de radiación que se conoce como Cherenkov, en honor de su descubridor, el físico Pavel Cherenkov. Seguimos con los rusos ilustres.

Pero, un momento, antes de que vengan con que, según la teoría de la relatividad de Einstein, nada puede moverse más rápido que la velocidad de la luz, respiren. A esa frase le falta algo. El límite de velocidad inviolable para la física es el de la luz en el vacío y solo las partículas sin masa pueden alcanzarla. Fuera del vacío, o sea en un medio, la velocidad de la luz se puede alcanzar, e incluso se puede superar. Es posible ir más rápido que la velocidad de la luz porque la luz cuando se mueve a través de un medio, ya sea agua, aire, prisma o plástico, viaja más despacio, se ralentiza. Por eso se producen los arcoíris.

La radiación Cherenkov aparece cuando una partícula cargada se mueve en un medio más rápido que la velocidad de la luz. Y, al igual que en el caso del pato, se puede entender que en su movimiento emite un cono de radiación cuyo ángulo de apertura depende de la velocidad. Si se puede medir el ángulo se puede determinar la velocidad de la partícula que ha generado su emisión. En esto está la base de los detectores de radiación Cherenkov.

Esa emisión azul característica del agua que rodea los reactores nucleares es radiación Cherenkov y es precisamente radiación Cherenkov la que emiten las cascadas de partículas que se generan en la parte alta de la atmósfera por eventos energéticos producidos en aceleradores de partículas cósmicos. Sí, el universo es capaz de acelerar partículas a cientos de veces la energía que se les puede dar en el acelerador de partículas más potente que hemos construido en la Tierra, el Gran Colisionador de Hadrones en la Organización Europea para la Investigación Nuclear.

Algunos de los telescopios más potentes para poder detectarla forman parte del CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory North) y ya están operativos en el Observatorio del Roque de los Muchachos en la isla de La Palma. Pero eso lo contamos otro día.