El resplandor azul en el agua alrededor de un reactor nuclear es luz que nace cuando una partícula cargada supera a la luz en ese medio. El efecto fue descubierto por Pável Cherenkov en 1934, y la teoría fue desarrollada por Ígor Tamm e Iliá Frank. Desde entonces, la radiación de Cherenkov se ha convertido en una herramienta de trabajo: desde detectores de partículas hasta la astrofísica. Pero hasta ahora su amplificación coherente, cuando las contribuciones de muchas partículas se suman sincrónicamente, como voces en un coro y no como el ruido de una multitud, estaba limitada al rango de terahercios. La razón son los tamaños de los haces: radios milimétricos y duraciones de picosegundos impedían que las fases de los electrones individuales coincidieran en frecuencias altas.

Los aceleradores de plasma de nueva generación prometen haces con parámetros inalcanzables hasta ahora: energía de hasta 10 GeV, duración de unidades de femtosegundos, tamaño transversal de decenas de micrómetros. Esto abre el camino a la radiación de Cherenkov coherente en óptica y ultravioleta. Los autores del nuevo trabajo construyeron un modelo analítico para tres formas del paquete de electrones: gaussiana, supergaussiana y cilíndrica con densidad constante. El medio es helio en condiciones normales, cuyo índice de refracción es muy cercano a 1 (diferencia del orden de 10⁻⁵).

Para un haz con energía de 1 GeV (factor gamma de 2000), número de electrones 10⁵, radio de 20 μm y longitud de 1 μm en helio, la amplificación coherente se extiende hasta energías de fotones de aproximadamente 2 eV (luz roja) para la forma gaussiana. Para un haz cilíndrico con densidad constante, hasta 10 eV (ultravioleta cercano). Los haces supergaussianos ocupan una posición intermedia: con exponente 4, hasta 4 eV; con 10, hasta 7 eV; con 40, casi como el cilindro. La diferencia se explica por los bordes abruptos de densidad: estos dan componentes de alta frecuencia en la transformada de Fourier. Los espectros de los haces cilíndrico y supergaussianos oscilan, y los períodos de oscilación están relacionados con la longitud y el radio del haz. Esto permite reconstruir la geometría del paquete a partir del espectro.

El espectro de fotones en un detector anular (radios de 1 a 2 mm) muestra que la parte coherente supera en órdenes de magnitud a la incoherente. La radiación de frenado para una longitud de blanco de helio de 30 cm contribuye en el mismo orden que la señal coherente mínima de Cherenkov, pero su distribución angular se concentra en un cono de 1/γ ≈ 0.5 mrad, mientras que el ángulo de Cherenkov es de unos 8.7 mrad; se pueden separar.

Antes, la radiación de Cherenkov coherente se observaba solo en los rangos de terahercios y microondas, porque los haces eran demasiado grandes. Ahora se ha demostrado que haces relativistas ultracompactos en gas con índice de refracción cercano a 1 producen radiación de Cherenkov coherente en óptica y ultravioleta cercano. Esto es una nueva herramienta para la diagnosis no invasiva de la forma y el tamaño de los paquetes de electrones en aceleradores de plasma; potencialmente, fuentes compactas de radiación UV. El coro de electrones que cantan al unísono se vuelve audible en nuevas frecuencias.