Cuando un neutrino que viaja a través del hielo golpea e interactúa con un átomo de oxígeno, se crean muones.
La radiación de Cherenkov se puede crear cuando los muones viajan a través del hielo más rápido que la luz y crean una onda de choque coherente con una radiación de alta frecuencia.
A medida que viaja una partícula cargada (p. ej., muones), interrumpe el campo electromagnético local en su medio. En particular, el medio se polariza eléctricamente por el campo eléctrico de la partícula.
Pero, ¿por qué los muones pueden viajar más rápido que la luz a través del hielo cuando probablemente tiene más interacción con los átomos debido a su masa de 105,66 MeV/c² y carga?
Lo primero que hay que entender es que la luz se mueve más lentamente en un medio material que en el vacío . La relación entre la velocidad en el vacío y la velocidad en el material se denomina "índice de refracción" del material.
Solo la velocidad de la luz en el vacío representa el límite de velocidad cósmica.
Los muones no se mueven más rápido que "la velocidad de la luz", se mueven más rápido que "la velocidad de la luz en el hielo" que está permitida.
En segundo lugar el no es la carga del muón sino su masa. La carga de un muón es la misma que la de un electrón: .
Es la masa del muón la que disminuye los efectos de las interacciones eléctricas y les permite penetrar en la materia densa. Además, los muones se descomponen tan rápidamente que si no se mueven a velocidades relativistas, no duran lo suficiente como para tener mucho efecto en algo. Entonces, un muón tiene un tremendo impulso relativo a los fotones o electrones.
Los muones son idénticos a los electrones, incluida su carga y "tamaño", pero tienen 1.000 veces la masa. Con una enorme masa moviéndose a velocidades relativistas, se encogen de hombros de carga eléctrica o interacciones magnéticas que detendrían un electrón o un fotón.
Imagen con dos pelotas de ping pong, una llena de aire con solo la masa de la cubierta de plástico, la segunda llena de plomo. Apuntas a un grupo de cañas o juncos con ambas bolas. El aire te llenó de tirar con la mano. El plomo lleno, disparas desde el cañón. ¿Cuál viajará más lejos a través de los tallos que obstaculizan?
La luz/fotones que se mueven a través de cualquier medio, excepto el vacío, interactúan con los campos eléctricos y magnéticos del medio, además de ser absorbidos y luego reemitidos. Dado que los fotones no tienen masa, son fácilmente influenciados y retardados por los campos eléctricos y magnéticos ambientales en la materia ordinaria. Los muones tienen masa, mucha de ella según los estándares de partículas atómicas, y siempre se mueven casi a la velocidad de la luz en el vacío, independientemente del medio en el que se formen o transiten.
La radiación de Cherenkov se puede considerar como una especie de onda de choque generada cuando el muón u otra partícula comprime los campos eléctricos y magnéticos ambientales en un medio hasta que forman fotones. Se ha comparado con la onda de choque visible creada por los aviones que rompen la barrera del sonido en el aire húmedo. La compresión hace que la humedad ambiental se condense en una niebla visible.
El índice de refracción es una propiedad electrónica que depende directamente de la permitividad eléctrica del medio y, en última instancia, depende de la densidad de electrones libres. A medida que aumenta la energía del fotón, disminuyen las interacciones con los electrones, de modo que los rayos X apenas se retardan, aunque son dispersados por los electrones de los átomos. Por supuesto, la radiación de Cerenkov está en el rango óptico, por lo que el hielo la frena por el índice de refracción.
El efecto neto es que la luz viaja a c/n en el hielo; para el hielo n=1,3, por lo que la luz en el hielo viaja alrededor de 3/4 c.
Los muones se crean dentro del hielo cuando se absorbe un neutrino de alta energía. Los muones que viajan más rápido que 3/4 c son los que crean la radiación de Cerenkov; los más lentos solo crearán rastros de iones, y no las ondas de choque ópticas.
Todos los muones interactúan con partículas cargadas, lo que lleva a la pregunta de por qué viajan más rápido que la luz en el hielo, lo que lleva a la radiación de Cerenkov. Debido a que los que generan la radiación de Cerenkov viajan a velocidades relativistas, esto reduce la sección transversal efectiva para la dispersión. Apenas verán las nubes de electrones, sino la dispersión del núcleo.
Para aquellos curiosos de por qué la luz se ralentiza en el hielo, he repetido mi respuesta anterior a esta pregunta:
Los materiales transparentes (vidrio, aire) transmiten imágenes; si la imagen está distorsionada o borrosa, sabemos que el material está alterando la coherencia de la información óptica. Es decir, lo que empezó en el principio no ha llegado todo al mismo tiempo. Con suficiente distorsión la imagen se pierde por completo.
Entonces, ¿qué se requiere para que un medio transparente transmita con éxito una imagen? Dado que la luz es una onda física, el medio transparente debe preservar la coherencia de la información de fase de la luz. En un vidrio típico, el frente de fase se ralentiza ligeramente mientras viaja a través del vidrio; esta desaceleración está codificada en el índice de refracción, .
Si el material absorbe algunas frecuencias, el material parecerá estar coloreado; un fotón que es absorbido (dependiendo de la estructura del nivel de energía) puede volver a emitirse, pero esto será (a) en un tiempo aleatorio más tarde, y (b) en una dirección aleatoria. ¡No hay imagen para este color! Hay una excepción: la emisión estimulada, que es la clave para construir un láser. Pero no es así como se transmiten las imágenes en un material pasivo.
El proceso que transmite las imágenes se puede resumir como Coherent Forward Scattering: Coherente, porque de lo contrario se reduce la integridad de la imagen; Adelante, porque la imagen se transmite en esta dirección, a través del material; y Scattering, el mecanismo generalizado restante disponible a nivel cuántico.
El resultado es bastante parecido al modelo de ondículas de Huyghen para la transmisión de luz: los fotones son las ondas que se dispersan coherentemente y, debido a que son coherentes, pueden interferir tanto de manera constructiva como destructiva para mantener la coherencia del frente de fase general.
Es la interferencia la que reduce la velocidad de fase a través del material; los fotones individuales continúan "moviéndose" a la velocidad de la luz, , pero se ralentiza el movimiento efectivo del frente de fase.
Richard Feynman dedica un tiempo a esto en sus conferencias sobre QED: The Strange Theory of Light and Matter
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