Radiazione di Cherenkov: il bagliore blu più veloce della luce (nell'acqua)

Chi ha visto la fotografia di un reattore di ricerca a piscina ricorda probabilmente quello strano chiarore azzurro che sale dal fondo come una lampada blu sommersa. Non è un effetto cinematografico: è la radiazione di Čerenkov, prodotta da elettroni che, in acqua, viaggiano più veloci della luce. Sembra una contraddizione con la relatività di Einstein, ma non lo è: nessun corpo può superare la velocità della luce nel vuoto; nei mezzi trasparenti, però, la luce rallenta — in acqua va a circa 225.000 km/s — e una particella carica abbastanza energetica può andare più rapida di quel "limite locale".

Quando questo accade, l'onda elettromagnetica si dispone in un cono coerente, esattamente come il boom sonico di un aereo supersonico. Solo che invece di un'onda d'urto si vede una luce: il blu intenso, quasi violaceo, dei reattori nucleari di ricerca.

Il dottorando dell'URSS che vide la luce

La storia della scoperta è una favola di fisica sperimentale. Nel 1934, all'Istituto Lebedev di Mosca, un giovane ricercatore di provincia, Pavel Alekseevič Čerenkov, stava studiando la fluorescenza dei liquidi sotto irraggiamento gamma per la tesi di dottorato. Il suo supervisore, il futuro premio Nobel Sergej Vavilov, sospettava che ci fosse qualcosa di non spiegato. Čerenkov osservò che, anche se tutto faceva pensare a una fluorescenza chimica, il bagliore continuava a esserci pure quando i quenchers — sostanze che spengono la fluorescenza — venivano aggiunti al liquido.

La luce era polarizzata, dipendeva dalla direzione delle particelle e dall'indice di rifrazione del mezzo: non c'entrava la chimica, c'entrava la cinematica. Tre anni dopo, Igor Tamm e Ilja Frank trovarono la spiegazione teorica: una particella carica che attraversa un mezzo trasparente perturba gli atomi vicini, e quando torna allo stato fondamentale ognuno emette un breve impulso di luce. Se la particella viaggia più veloce della luce locale, i fronti d'onda si sommano in fase e producono un cono di radiazione coerente.

Perché proprio blu?

La domanda della maggior parte dei visitatori dei reattori a piscina è proprio questa. Lo spettro dell'emissione di Čerenkov ha un'intensità che cresce con il quadrato della frequenza, cioè è più forte alle lunghezze d'onda corte. La radiazione comprende anche ultravioletto e infrarosso, ma è alle frequenze del violetto e del blu che l'intensità è massima e l'occhio umano è ancora sensibile: per questo i reattori sembrano blu e non, ad esempio, gialli.

La caratteristica più elegante è l'angolo del cono. Misurando l'apertura del cono di luce, in un mezzo di cui si conosce l'indice di rifrazione, è possibile ricostruire con altissima precisione la velocità della particella che lo ha generato. È questo il principio alla base dei rivelatori RICH (Ring Imaging Cherenkov), usati al CERN e nei grandi esperimenti di fisica delle particelle.

Il Nobel del 1958 e la riabilitazione di Vavilov

Nel 1958, ventiquattro anni dopo l'osservazione, l'Accademia di Svezia premiò Čerenkov, Tamm e Frank con il Nobel per la fisica "per la scoperta e l'interpretazione dell'effetto Čerenkov". Sergej Vavilov, morto nel 1951, non fu incluso: oggi i fisici russi chiamano spesso il fenomeno "radiazione di Vavilov-Čerenkov", riconoscendo il ruolo del maestro.

Čerenkov, nato in un villaggio della Russia centrale, era figlio di contadini analfabeti. La sua biografia, raccontata dall'Encyclopaedia Britannica, è un esempio della mobilità sociale spinta che la scienza sovietica seppe garantire nei primi decenni della rivoluzione.

Dal blu del reattore al rivelatore IceCube

Oggi l'effetto Čerenkov è uno strumento di lavoro quotidiano. Il Dipartimento dell'Energia americano spiega che gli operatori dei reattori a piscina monitorano il bagliore blu come un termometro qualitativo: più è intensa la radiazione di Čerenkov, più alta è la potenza istantanea del nocciolo.

Ma le applicazioni più spettacolari sono in fisica delle particelle e in astrofisica:

• Super-Kamiokande in Giappone: 50.000 tonnellate di acqua ultrapura circondate da 11.000 fotomoltiplicatori che cercano i lampi di Čerenkov prodotti da neutrini cosmici e solari.
• IceCube al Polo Sud: un chilometro cubo di ghiaccio antartico strumentato in modo da rilevare la stessa radiazione, ma generata da neutrini di altissima energia provenienti dall'universo profondo.
• Telescopi a effetto Čerenkov atmosferico come MAGIC e CTA: catturano la luce blu prodotta dagli sciami di particelle che i raggi gamma generano nell'alta atmosfera terrestre.

Una contraddizione apparente che insegna la relatività

L'effetto Čerenkov resta uno degli esempi didattici più potenti per spiegare la relatività. Mostra che il limite del c einsteiniano è la velocità della luce nel vuoto, e che dentro la materia esistono fenomeni nuovi quando una particella la supera localmente. Quel chiarore azzurro che dal 1934 illumina i laboratori del mondo è il modo più poetico in cui la fisica delle particelle si fa visibile a occhio nudo.