Radiação Cherenkov
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A radiação Cherenkov é o brilho azulado que surge quando uma partícula carregada atravessa um meio transparente mais rápido do que a luz se propaga nele. Ela é o princípio de detecção do Super-Kamiokande, do IceCube, do KM3NeT e do Sudbury Neutrino Observatory.
Mais rápido que a luz — mas não mais rápido que c
A frase soa como uma contradição e não é. Insuperável é unicamente a velocidade da luz no vácuo. Na água, a luz se move apenas a cerca de três quartos desse valor, porque é continuamente absorvida pelas moléculas e novamente emitida.
Um elétron, em contrapartida, não é freado por isso. Ele pode, portanto, perfeitamente ser mais rápido que a luz na água — sem violar a teoria da relatividade.
A imagem da onda de proa
O que acontece então é conhecido da água e do ar.
Um navio que navega mais devagar que suas próprias ondas empurra à sua frente uma onda circular. Se navega mais rápido, as ondas ficam para trás e se superpõem formando uma onda de proa em forma de cunha. Em um avião supersônico, o mesmo fenômeno se chama cone de Mach.
No caso de uma partícula carregada na água, trata-se do equivalente eletromagnético: um cone de luz que segue a partícula.
O ângulo de abertura desse cone depende unicamente da velocidade. Dele se pode ler, portanto, o quão rápida era a partícula — e na água há um limiar nítido: abaixo de aproximadamente três quartos da velocidade da luz no vácuo não se forma cone algum.
Por que brilha em azul
A radiação não se reparte igualmente entre as cores. Sua intensidade cresce em direção ao extremo de onda curta — quanto mais azul, mais.
Por isso o brilho nas piscinas dos reatores aparece de um azul intenso. Quem já viu alguma vez uma foto de um reator de pesquisa conhece essa cor: ela vem de elétrons do decaimento dos produtos de fissão que atravessam a água de refrigeração mais rápido que a luz nela.
O que um detector lê disso
Na parede de um tanque de água, o cone desenha um anel. Dele podem ser lidas três coisas:
A direção. A posição do anel indica de onde vinha a partícula — e com isso, de que direção chegou o neutrino. Foi precisamente isso que permitiu a Masatoshi Koshiba demonstrar pela primeira vez que os neutrinos medidos vêm efetivamente do Sol.
A energia. Quanto mais brilhante o anel, mais energética a partícula.
O tipo de partícula. Aqui está o ponto decisivo. Um elétron é desviado na água e gera uma pequena cascata; seu anel é difuso. Um múon segue quase em linha reta; seu anel tem contorno nítido.
Nessa distinção se baseia a descoberta de Takaaki Kajita do ano de 1998. Ele só pôde mostrar que faltam neutrinos do múon e não neutrinos do elétron porque o detector era capaz de distingui-los.
O limite do procedimento
A desvantagem é o rendimento. Um detector de água obtém por megaelétron-volt apenas algumas centenas de fótons; um cintilador fornece cerca de dez mil.
Daí se segue um limiar de detecção mais alto. Os neutrinos de baixa energia — por exemplo os da reação principal do Sol — permanecem invisíveis para um detector de água. Para isso são necessárias instalações como o Borexino.
Os dois procedimentos se complementam, portanto: a água fornece direção e grandes volumes; o cintilador fornece sensibilidade.
Descoberta
Pavel Cherenkov observou o brilho em 1934 em Moscou. Ilya Frank e Igor Tamm o explicaram teoricamente em 1937. Os três receberam conjuntamente em 1958 o Prêmio Nobel de Física.
Termos relacionados
- Super-Kamiokande — a aplicação mais conhecida
- Cintilador — o outro princípio de detecção
- Takaaki Kajita — o que a forma do anel tornou possível
- IceCube — o mesmo princípio no gelo
Fontes
- P. A. Cherenkov: Visible emission of clean liquids by action of γ radiation, Doklady Akademii Nauk SSSR 2, 451 (1934).
- Fundação Nobel: Prêmio Nobel de Física 1958.