Partículas mais rápidas do que a luz ? Verdade ou mito?

Sempre escutamos que a LUZ é a coisa que viaja com a maior velocidade possível no Universo, portanto essa velocidade é impossível de ser ultrapassada.

A velocidade da luz é aproximadamente 300.000 km/s.

O quão rápido isso é? Vem descobrir aqui comigo. 

Essa velocidade é o suficiente para dar um pouco mais de sete voltas ao redor da Terra ou completar o circuito do autódromo de Interlagos (71 mil voltas) em um segundo e dois milésimos.

Lewis Hamilton, penta campeão mundial de fórmula 1, fez o mesmo percurso no GP de 2018 no tempo de 1:27:09.066 (uma hora, 27 minutos, 9 segundos e 66 milésimos).

Porém, nem sempre a luz viaja com toda essa velocidade pois seu valor depende do meio em que ela viaja, assim os 300 000 km/s refere-se a velocidade da luz no vácuo também chamada de “c”, presente na famosa equação E = mc².

Isso permite que em certas circunstâncias partículas possam viajar mais rápido que a Luz, porém ainda que viaje mais rápido quê a Luz essas partículas sempre estarão a uma velocidade inferior a velocidade da luz no vácuo (c).

Quando uma partícula carregada eletricamente atravessa um meio não condutor a uma velocidade superior à da luz neste mesmo meio, ela emite radiação eletromagnética que pode ser na faixa visível.

Os primeiros a observarem uma luz azulada devido a esse efeito, foram os cientistas Pierre e Marie Curie em 1900, durante seus experimentos com o elemento químico chamado rádio.

Entretanto, somente em 1934 foi detectada experimentalmente por Pavel Cherenkov, portanto, em sua homenagem, a radiação recebeu esse nome.

Como o efeito acontece?

Raios cósmicos atingindo a atmosfera, Creditos: Radiação de cherenkov/ESO Brasil

O efeito Cherenkov pode ser visto com maior facilidade nas piscinas de refrigeração de um reator nuclear, mas também pode ser visto em outros meios como o vidro e nas altas camadas da atmosfera, onde raios cósmicos atigem a mesma.

Nesse caso, ficam também conhecidos como relâmpagos de Cherenkov, contudo são de curtíssima duração e de baixa luminosidade impossibilitando a observação direta.

Na piscina de um reator nuclear a água fica diretamente exposta a radiação que sai do elemento radioativo do núcleo do reator.

A radiação gama liberada pelo reator quando passa pelos átomos da água ocorre o processo conhecido como elétron-pósitron devido a interação com a matéria neste caso a água.

Neste processo, a radiação gama gerando um elétron e um positron que é a antipartícula do elétron.

O elétron é liberado com velocidade superior a da luz no meio, assim enquanto ele se move acaba polarizando a água e quando está volta a um estado de equilíbrio, emite radiação eletromagnética visível, com maior intensidade na frequência do azul.

Agora com um pouco mais de detalhes

Imagem da particula viajando vc

Na direita temos a particula viajando a uma velocidade superior a da luz no meio esquerda temos a partícula, em nosso caso o elétron, viajando a uma velocidade menor que a da luz no meio.

Neste caso, a polarização da água, acontece de forma que os elétrons da água são repelidos pelo nosso elétron, porém essa polarização acompanha o movimento do elétron de forma que o campo elétrico na região em torno do nosso elétron é nulo assim nada acontece

O mesmo não é verdade caso este elétron esteja com velocidade superior a da luz pois exite um atraso entre a momento em que a partícula está em uma determinada região e o momento em que esse local é polarizado.

Esse fenômeno pode ser comparado ao estrondo sonico percebido quando caças rompem a bareira do som gerando ondas de choque um efeito bastante interessante também.

Mas para compreender o que acontece, vamos usar algo um pouco mais comum de se presenciar afinal, não é todo dia que um caça rompe a barreira do som diante de seus olhos.

Pense que você está em um hotel em frente ao mar, infelizmente o dia estava chuvoso e você não pode sair, enquanto olha o mar pela janela pensando o quanto é azarado você vê um relâmpago, sim estava chovendo e relampejando. Neste momento, você sabe que um raio caiu no mar porém demora um tempo para quê as ondas sonoras cheguem até você.

Agora imagine que você vai ao banheiro e portanto não consegue ver os raios mas você consegue ouvi-lo, e sabe que quando ouvi-lo a luz do raio (o relâmpago) já passou pelo hotel onde você está.

Bem, o elétron passa tão rápido que os átomos não “sentem” sua presença, (da mesma forma que você não pode ver a luz do raio) porém o elétron deixa uma marca por onde passa quê é o campo elétrico ( que é análogo ao estrondo do raio)

O campo elétrico interage com os átomos e os polariza; da mesma forma que você ouve o trovão apesar de não o ter visto passar, o átomo sente a presença do elétron.

Quando o elétron polariza um ponto no meio ele já não está lá, deixando assim uma região com campo elétrico não nulo e quando esses átomos finalmente “percebem” que o elétron não está mais lá, eles voltam ao seu estado inicial: campo elétrico nulo. Com isso, o campo elétrico precisa sumir e assim temos uma variação do campo eletromagnético. Esse é o efeito Cherenkov.

Mas para que serve isso?

Além de deixar a piscina de um reator nuclear bem mais bonita, na Física uma das formas mais comuns de se detectar uma partícula é por meio câmaras de detecção de vários tipos e técnicas, uma dessas técnicas utiliza o efeito de Cherenkov para a detecção de neutrinos um exemplo é o IceCube.

A radiação de Cherenkov também é utilizada para detectar pequenas concentrações de biomoléculas. Também pode ter várias aplicações em biomedicina. Em reatores nucleares, a intensidade dessa radiação está relacionada à frequência dos eventos de fissão, assim é uma forma de medida da intensidade da reação.

Esse efeito é utilizado para determinar a fonte e a intensidade de raios cósmicos e propriedades de objetos astronômicos que emitem raios gama. Alguns exemplos: IceCube, SNO, VERITAS, HESS, etc


Para saber mais:

Ativamento de um reator nuclear
(https://youtu.be/pa0Fmcv83nw)

Como funciona o reator nuclear da USP
(https://youtu.be/Px-wrOBfDMs)

Caças da FAB rompendo a barreira do som
(https://youtu.be/kyWsSEUHi4w)

Referências:

Radiação de Cherenkov Carolina Sayuri Takeda Instituto de Física de São Carlos – USP Maio de 2018

An Introduction to Cherenkov Radiation Hadiseh Alaeian Março de 2014