Quando uma partícula carregada excede a velocidade de fase da luz c/n em um meio, ela emite um cone de choque azul coerente. Ajuste a velocidade e o índice para ver o cone se formar, desaparecer abaixo do limiar e coincidir com o cone de Mach acústico.
Uma partícula carregada voa da esquerda para a direita pelo meio. Quando v > c/n, as frentes de onda esféricas sobrepostas se empilham em um cone de choque azul — o brilho característico de Cherenkov.
Frank-Tamm: I ∝ (1 − 1/n²β²)/λ² — a emissão é dominada por comprimentos de onda curtos (azuis), por isso o brilho é azul.
Uma partícula carregada atravessando um meio dielétrico polariza as moléculas ao redor. Cada polarização relaxa emitindo uma pequena onda luminosa esférica. Quando a partícula é lenta, essas ondas interferem destrutivamente e nada se propaga para fora. Mas quando a velocidade v excede a velocidade de fase da luz no meio, c/n, as ondas não conseguem acompanhar: elas se empilham em uma frente de choque bidimensional coerente — um cone de luz atrás da partícula. O semi-ângulo do cone satisfaz cos θ = c/(nv) = 1/(nβ). O efeito foi previsto por Heaviside (1888) e Sommerfeld, e observado por Cherenkov (1934); a explicação quântica de Tamm e Frank ganhou o Prêmio Nobel de 1958. É o análogo eletromagnético de um estrondo sônico.
Uma aeronave supersônica empurra as moléculas de ar mais rápido do que o som consegue transportar a perturbação. As ondas sonoras esféricas sobrepostas formam um cone de choque com semi-ângulo μ que satisfaz sin μ = c_s/v = 1/Ma, onde Ma é o número de Mach. Substituindo c_s por c/n e Ma por nβ, a fórmula acústica se torna a fórmula de Cherenkov. Ambas são instâncias do mesmo fato geométrico: em um meio que suporta ondas de velocidade de fase finita, uma fonte que excede essa velocidade não pode irradiar isotropicamente e deve concentrar sua emissão em um cone.
A radiação de Cherenkov é a base de detectores de partículas que medem a velocidade com precisão melhor que 1% — detectores RICH no LHCb e ALICE identificam π/K/p pelo ângulo do cone. Telescópios de neutrinos como IceCube e Super-Kamiokande detectam luz de Cherenkov de elétrons e múons secundários em um quilômetro cúbico de gelo ou água, reconstruindo a direção do neutrino a partir do cone. Em reatores nucleares, o brilho azul inquietante da piscina de resfriamento é luz de Cherenkov de elétrons rápidos espalhados por raios gama — uma assinatura visual direta de radioatividade. Aceleradores médicos lineares e linhas de feixe de física de altas energias mostram o mesmo brilho.
Arraste o controle de velocidade v/c. Mantenha-o abaixo de 1/n e nenhum cone se forma — você está abaixo do limiar. Cruze o limiar e o cone azul aparece de uma vez, crescendo em direção ao máximo θ_max = arccos(1/n) quando v → c. Aumente o índice de refração n para alargar o cone e baixar a barreira de velocidade. Experimente a predefinição Piscina do reator para o brilho clássico na água, depois Sub-limiar para ver o cone desaparecer, e depois Cone de Mach para ver o análogo acústico com uma fonte supersônica. O gráfico de ângulo traça cos θ = 1/(nβ) ao vivo; o espectro mostra o viés 1/λ² para o azul.