Ma il cono è sempre più blu (o L'effetto Čerenkov)

Settembre 2011. Un gruppetto di ricercatori del CERN in procinto di provare l’emozione più grande delle propria vita.

Devi sapere, caro Billy, che uno dei passatempi più praticati dai quei cervelloni (respect) del CERN è quello di osservare gare di velocità fra particelle subatomiche scommettendo sul presunto vincitore.

Quel giorno in pista c'erano due contendenti particolari: il primo è una delle particelle che per più tempo si è nascosta agli occhi di chi la cercava freneticamente, una particella che nasce dal centro del nostro stesso pianeta, dal caldo cuore del sole e (sì, lo so che non lo sai Billy) anche dai nostri denti, il signor Re dei leptoni.

E NO, NON È L’ELETTRONE.

Sto parlando del neutrino, villico ignorante.

Il secondo concorrente che si trovava alla linea di partenza quel giorno era quello destinato a vincere a mani basse, lo Usain Bolt dei bosoni, il signor fotone.

E chi l’avrebbe mai detto che, una volta conclusa la gara, si sarebbe registrato un anticipo del neutrino (che, per chiarezza, era un fascio di neutrino) di 60 nanosecondi rispetto al fotone?

Infarto: esiste qualcosa più veloce della luce!

E mentre Einstein era in fase di risurrezione per venire personalmente a controllare i dati raccolti, qualcuno si era già accorto che qualcosa non quadrava. Noi italiani abbiamo molti pregi: cibo spaziale, simpatia insuperabile, bellezza unica, ma forse la bravura a tenere il tempo non è fra queste. Infatti nessuno si era accorto di un malfunzionamento di un cavo a fibra ottica che ha mandato a farsi friggere la gara.

Billy ti conosco bene! Già si sento esultare gridando in silenzio: "Niente va più veloce della luce!".

Si vede che non hai fatto le scuola grandi. E SE TI DICESSI DI NO?

Pensiamoci un attimo insieme. Non esiste nulla che vada più veloce della luce nel vuoto.

NEL VUOTO.

Ma allora, se faccio in modo che la luce attraversi un materiale, cosa succede?

No, non un fluido non newtoniano radioattivo, anche un bel bicchier d’acqua andrebbe benissimo. Beh, quello che succede è che la luce viene rallentata.

E questo cosa ci dice?

Ci dice che allora non possiamo più essere sicuri che la luce sia più veloce di qualsiasi altra cosa, almeno quando parliamo del bicchiere d’acqua. E se ancora non lo avessi capito sì, ci sono particelle che nel nostro bicchiere d’acqua vanno più veloci della luce (nello stesso bicchiere).

Quindi, come un Bell X-1 sarebbe in grado di rompere il muro del suono, esistono particelle cariche in grado di “rompere il muro della luce”, sempre nel nostro bicchiere d’acqua.

Ma come si dice “rompere il muro della luce” in termini un po’ più scientifici? Si dice, delfino curioso, provocare una radiazione Čerenkov.

L' effetto Čerenkov

E, come per l’abbattimento della barriera del suono, anche per la radiazione Čerenkov si può osservare un cono, un bel cono blu pallido che si irradia dalla traiettoria della particella.

L’effetto Čerenkov fu osservato per la primissima volta dai coniugi Curie ai primi del Novecento, in seguito fu studiato dal francese Lucien Mallet che non ne comprese, però, la vera natura. Toccò a Pavel Čerenkov l’onore di capirlo fino in fondo.

La tua sate di sapere ancora non si è esaurita? Bravo Billy, cresci bene.
Vuoi sapere come è possibile che ciò avvenga? Ti stai chiedendo perchè l'onda energetica di Goku o il rasengan di Naruto son blu (l'aria è pur sempre un fluido)?

Ebbene, la particella carica, passando attraverso il bicchiere d’acqua, induce momenti di dipolo temporanei nelle molecole che la circondano. Queste povere molecole, sballotate da questa particella Speedy Gonzalez, tornando al loro stato iniziale emettono una radiazione elettromagnetica inclinata di un certo angolo. Ed è qui che giace l’importanza della radiazione Čerenkov!

E sai perché? No che non lo sai.

Perché l’angolo di inclinazione della radiazione è dato da questa relazione:

dove n è l’indice di rifrazione del mezzo (nel nostro caso, dell’acqua nel nostro fantomatico bicchiere), c è, sorprendentemente aggiungerei, la velocità della luce nel vuoto, mentre v è la velocità della suddetta particella carica nel mezzo.

Ma… allora… RIVELAZIONE!

E tu starai pensando: ma rivelazione de che? Cioè, tutto molto interessante, pacca sulla spalla, complimentoni! Ma dov’è la rivelazione?

La rivelazione, carissimo, sta nel fatto che, avendo una particella ignota, osservandone l’angolo di radiazione in un mezzo denso e sfruttando la relazione precedentemente esposta, se ne può conoscere la velocità, il che non è poco.

Qui si svela anche il mio giochetto di parole, dato che alcuni fra i più importanti e potenti RIVELATORI di particelle mai messi a punto non sono altro non sono altro che delle immense piscine (ehm, serbatoi) pieni di acqua pura e circondati da un numero non discreto di tubi fotomoltiplicatori (per chi è del ghetto, PMT), i quali hanno il compito di rilevare le radiazione Čerenkov dovuta al passaggio di particelle cariche nei serbatoi.

So che questo è super eccitante per te (sento anche da lontato i tuoi capezzoli diventare turgidi), ma non puoi immaginare quanto lo sia stato per tutti coloro che hanno passato del tempo (tantissimo tempo, credimi) inseguendo particelle che non potevano che essere rilevate con la radiazione Čerenkov. Primo fra tutti, il famigerato neutrino, un vero e proprio timidone!

Nel suo libro “Neutrino”, che tra l'altro ti invito caldamente a leggere, Frank Close spiega come sia stata essenziale la messa a punto di rivelatori in grado di sfruttare l’effetto Čerenkov (vedi Super-Kamiokande) per fare luce su questa affascinantissima particella.

Se sei arrivato fino a qui ti meriti un biscottino Billy.

Adesso ti lascio libero di ritornare alla realtà che, come ora saprai, non è fatta solo di quaderni scarabocchiati, fette di pane piene di Nutella (che cadono rigorosamente in modo che la suddetta di spappoli sul pavimento) e gatti un po’ vivi e un po’ morti (dopo un tot in una scatola, onestamente anche a me mancherebbe l’aria).

A volte, se capita, c’è spazio anche per dei piccoli conetti, sempre più blu.