Azul de Cherenkov

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A orillas del Sena, en la primera década del siglo XX, un pintor desconocido y melancólico decide hacer todas sus pinturas en tonos azules. Piezas de arte que ahora se exhiben en los museos más prestigiosos del mundo. Era el periodo azul del temperamental genio Pablo Picasso. El viejo guitarrista es una de sus obras más famosas.

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El viejo guitarrista, Pablo Picasso, 1903

El color es una sensación: su apreciación está en el ojo del espectador. Así, cada artista se apropia de colores, juega con ellos, experimenta y en muchos casos hasta reclama su azul. Piet Mondriaan nos ha enseñado sus colores “puros”, entre ellos su “azul” puro. Yves Klein se apoderó de un azul intenso.

 

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Piet Mondriaan, 1929
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Yves Klein, 1960

Los físicos también estudiamos el color, en este caso hacemos descripciones que involucran a la luz y su interacción con la materia. Contrario a la visión popular, la ciencia no es una práctica puramente racional, la estética de los fenómenos es parte fundamental del ejercicio científico. Es motivación, es búsqueda, es guía, es anhelo y es disfrute en la experiencia.

Uno de los colores más hermosos y exquisitos que se pueden observar en un laboratorio, con algo de suerte, es el azul de Cherenkov. No cabe duda que contemplarlo entendiendo cómo se produce y sus aplicaciones en medicina, le añade belleza.

El fenómeno de la luz Cherenkov

La velocidad de la luz en el vacío es un límite cósmico. Esto quiere decir que, en nuestra frontera del conocimiento, nada puede viajar más rápido. No obstante, una vez que la luz penetra un medio material, su velocidad puede disminuir apreciablemente. Por ejemplo, en el agua solo puede viajar al 75% de su velocidad en el vacío. Y es allí que la competencia comienza a ser más justa con otros contendientes. La velocidad de partículas subatómicas puede perfectamente superar a la luz en un medio material. Por ejemplo, partículas emitidas en reacciones nucleares viajarán más rápido que la luz en el agua. Los rayos cósmicos al entrar en la atmósfera crean cascadas con billones de partículas que recorren km de atmósfera viajando más rápido que la luz en el aire.1 Lamentablemente, son destellos muy débiles y muy difíciles de capturar. Requieren condiciones atmosféricas muy especiales e instrumentos sumamente sensibles para ser detectados.

Entonces, cuando una de estas partículas subatómicas, que porta carga eléctrica, entra en un material con una velocidad mayor a la de la luz e irrumpe con violencia en el campo electromagnético del medio, se genera una onda de choque luminosa que sigue la estela dejada por la partícula. Es un efecto similar a cuando un jet o una bala rompe la barrera de la velocidad del sonido.

FA-18 Hornet rompiendo la barrera del sonido. En este caso la onda de choque deforma la nube de condensación de agua que rodea el avión.
FA-18 Hornet rompiendo la barrera del sonido. En este caso la onda de choque forma la nube de condensación de agua que rodea el avión.

Esta onda de choque se llama luz de Cherenkov, en honor a su descubridor, el físico ruso Pavel Alekseyevich Cherenkov.  Él observó un brillo azulado que se producía en una botella de agua al ser bombardeada con radiactividad. Originalmente propuesta en teoría por el matemático Inglés Oliver Heaviside, su descripción final fue desarrollada en el marco de la teoría de la relatividad especial por Ilya Frank e Igor Tamm, quienes compartirían el premio Nobel de física  de 1958 junto con Cherenkov.

El espectro de la luz Cherenkov depende de las propiedades del material y está determinado por la ecuación de Frank-Tamm. Es continuo entre los rangos visible y ultra violeta, pero con la característica que su intensidad aumenta con la frecuencia, de modo tal que será más fácil de ver hacia los azules y violetas. Por otro lado, el ojo humano hace pico de sensibilidad en los verdes y disminuye hacia el violeta y es por eso que lo vemos principalmente azul.

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El azul de Cherenkov no es solo bonito, puede salvar vidas.

El efecto Cherenkov es de naturaleza tímida, sin embargo es posible aprovecharlo en desarrollo científico y tecnológico. Sus aplicaciones incluyen física nuclear, física de partículas tanto en aceleradores como en detección y caracterización de rayos cósmicos (Observatorio Pierre Auger, LAGOHAWC y HESS), y medicina.

Por ejemplo, en el tratamiento contra el cáncer, el objetivo final es destruir la células cancerosas sin dañar el tejido sano. En las radioterapias, la luz de Cherenkov se puede usar para rastrear la radiación y hacer que la diana se mantenga precisamente determinada. También son de vital importancia los estudios en obtención de imágenes del interior del cuerpo, allí este brillo azulado podría jugar un papel importante, como por ejemplo en la “Tomografía con emisión de positrones”, una técnica que utiliza un acelerador de partículas para producir imágenes de órganos internos.   

Las aplicaciones en medicina están aun a nivel de investigación con buenos indicios de que la luz de Cherenkov será aprovechable en el futuro cercano. Pruebas clínicas hechas en pacientes con cáncer de seno han dado buenos resultados en el Dartmouth-Hitchcock Norris Cotton Cancer Center, EEUU, 2013.

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Prueba de visualización usando luz de Cherenkov en humanos. Dartmouth-Hitchcock Norris Cotton Cancer Center
  1. Aclaro de una vez que no, el azul del cielo no es producido por el efecto Cherenkov, el azul y el resto de los colores del cielo se produce por un efecto conocido como dispersión de Rayleigh que está relacionado con la manera como los rayos del sol interaccionan con las moléculas que componen la atmósfera []
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