Más rápido que la luz

Cuando nos visitó Víctor Buso, el astrónomo de Rosario que descubrió la notable supernova SN 2016gkg, lo llevé a conocer el reactor nuclear que tenemos en el Instituto Balseiro. Hacía años que no iba, y es una visita que me encanta: ¿cuántas oportunidades uno tiene de ver algo moviéndose más rápido que la luz? ¿Eh?

¿Más rápido que la luz? ¿Cómo puede ser? ¿Acaso la Teoría de la Relatividad no nos dice que nada puede moverse más rápido que la luz? Sí, por supuesto: nada puede moverse más rápido que la luz en el vacío. Esos son los famosos 300 mil kilómetros por segundo, que llamamos c. Pero en el agua la luz se mueve mucho más despacio. El índice de refracción del agua es 1.33, así que la velocidad de la luz es 300 000 km/s dividido 1.33, o sea 225 mil kilómetros por segundo. El reactor nuclear del Balseiro está en el fondo de una pileta de agua, así que uno puede ver, desde arriba, el núcleo radiactivo del cual surgen partículas subatómicas que fácilmente se mueven más rápido que la luz. El resultado es éste.

Se llama luz de Cherenkov, y es una de las visiones más extraordinarias que conozco. Una fantasmagórica luz azul que parece salir de adentro de cada pieza del núcleo de la máquina. Cada átomo de uranio que se fisiona allá abajo se parte en dos elementos más livianos que son radiactivos: les sobran neutrones que en el uranio eran necesarios para mantener la precaria estabilidad de un núcleo tan cargado de protones. Son elementos que pesan más o menos la mitad que el uranio: iodo, estroncio, cesio, cosas así. Rápidamente sufren un decaimiento radiactivo emitiendo un electrón y un neutrino. El electrón es muy rápido, y surca el agua más rápido que la luz. En su estela se forma una onda de choque, similar a la responsable del boom sónico cuando un avión se mueve supersónicamente en el aire, pero de luz. Hay tantos de estos eventos simultáneamente y en todas direcciones que en lugar de un boom se ve este resplandor azul persistente.

¿Es seguro asomarse así? Sí, completamente. Los electrones no viajan muy lejos dentro del agua, no llegan ni remotamente cerca de la superficie. Los neutrinos, en cambio, atraviesan la materia como si nada: se necesitaría una chapa de plomo de un año luz de espesor para frenarlos. Así que atraviesan las paredes del reactor, nuestros cuerpos y la Tierra entera, perdiéndose en el espacio. No son distintos de los neutrinos del Sol, que nos atraviesan de a trillones sin hacernos ni cosquillas. Además de los dos núcleos livianos, en cada fisión se liberan entre dos y tres neutrones, para los cuales está realmente construído el blindaje del reactor: el agua y las gruesas paredes que la contienen. Nuestro reactor produce 1 MW de potencia. En cada evento de fisión se libera una cantidad pequeñísima de energía, de manera que cuando está en marcha se producen trillones y trillones (del orden de 10 a la 15) fisiones por segundo. Cuando estábamos mirando justo lo apagaron. Cuando esto ocurre súbitamente cesan las fisiones, pero los productos de fisión siguen decayendo radiactivamente por un tiempo, así que la luz de Cherenkov sigue brillando un buen rato, cada vez más tenue, igual que una supernova.

La luz de Cherenkov es también la que permite detectar los casi inasibles neutrinos, en instrumentos tan extraordinarios como el Super-Kamiokande, que parece sacado de una película de James Bond (sí, eso que se ve ahí es un bote). Cuando está funcionando esta esfera está completamente llena de agua, y los detectores que la rodean (esas bolas doradas) pueden detectar la tenue luz de cada evento de Cherenkov individual, producido por la improbable interacción de un neutrino con un núcleo de hidrógeno del agua.

En el Observatorio Auger de rayos cósmicos, cerca de Malargüe, una red de tanques de agua detecta por medio del efecto Cherenkov el paso de muones (unos primos gordos del electrón). En las noches de luna nueva los complementan unos telescopios especializados para detectar una tenue fluorescencia ultravioleta (no luz Cherenkov). En conjunto delatan el ingreso de cascadas de partículas elementales que los rayos cósmicos producen en la atmósfera superior, y que llegan hasta la superficie. Observándolas desde diversos ángulos se puede medir su dirección, obrando una intrincada y difícil "astronomía de partículas" en lugar de la astronomía de luz y otras radiaciones electromagnéticas más habituales.

Si ocurre en el agua, ¿no ocurrirá en el aire? El aire es mucho más tenue, pero no es vacío. Tiene un índice de refracción apenas mayor que 1, pero mayor al fin, y la velocidad de la luz en el aire es también menor que c. Partículas muy muy muy rápidas pueden superarla, produciendo luz de Cherenkov atmosférica. Eventos de este tipo ocurren cuando un fotón gamma extremadamente energético, como los que provienen de los núcleos de las galaxias activas, penetra en la atmósfera y produce una cascada de partículas muy rápidas, acompañadas de un flash brevísimo (nanosegundos) de luz Cherenkov. Existen unos pocos telescopios en el mundo destinados a estudiar este fenómeno.

---

La velocidad de la luz en el vacío es exactamente 299 792 458 metros por segundo. Seguimos diciendo 300 mil para no volvernos locos. Es la velocidad de todas las radiaciones electromagnéticas y también de las ondas gravitacionales.

Si te perdiste el Coloquio de Víctor y Melina, o si querés volver a verlo, lo encontrás en el canal de YouTube del Balseiro: El nacimiento de una supernova.