Mensajes del más allá

Una tarde de picnic nos envuelve en sensaciones. Los rayos del sol, tibios sobre la piel, endurecen las sombras. Los colores brillan estridentes, algunos móviles a la brisa que azota suavemente. Nubes caprichosas se funden en el azul como tinta disuelta. De vuelta a la tierra hay árboles, insectos, barro. Reconocemos nuestro entorno completamente…¿o no? Sí, sospechamos que esa no es toda la historia. Existe todo un mundo oculto a nuestros sentidos, un mundo que nos toca sin avisar, que está más allá de lo visible, de lo palpable, de los aromas; que nos rodea inadvertido, atravesándonos, invadiéndonos constantemente. Nuestros sentidos toscos, burdos, limitados, fallan en detectarlo. No obstante, el hombre con todo su ingenio y curiosidad ha logrado franquear las fronteras de sus capacidades inherentes de detección. Hemos construido extensiones de nuestros sentidos y descubierto un universo sorprendente. Y allí estamos, en nuestro picnic siendo impactados constantemente por una lluvia que no es de agua, que no nos moja, que no la vemos, son los Rayos Cósmicos. Pero, ¿de dónde vienen? ¿qué son?

La radiación cósmica es un flujo de partículas muy energéticas que entran en la tierra provenientes del espacio exterior. Esencialmente está conformada por partes sueltas de átomos, más que todo núcleos de hidrógeno y helio o partículas alfa (~99% ) y, en menor proporción, núcleos más pesados (~1%). Otros componentes como partículas subatómicas y antipartículas como positrones y antiprotones se han observado, pero en ínfima proporción con respecto a los núcleos atómicos. Algunos vienen de nuestro sol, otros de lugares remotos dentro de nuestra galaxia, pero la mayoría de los más energéticos, hasta de 10^{20}eV *, recorren distancias inconmensurables desde fuera de nuestra galaxia y después de un viaje increíble llegan a la Tierra. Si tienen carga eléctrica, son afectados por campos magnéticos galácticos. La mayor parte de los Rayos Cósmicos al llegar a la alta atmósfera (Ionósfera) chocan con los núcleos de Nitrógeno y Oxígeno produciendo cascadas o lluvias con billones partículas que llamamos “Rayos Cómicos Secundarios”. La mayoría de los núcleos pesados, de radiación cósmica primaria, se fragmentan en la atmósfera a altitudes superiores al caso de los protones. Su camino libre medio es afectado por su masa y la sección eficaz de choque con los átomos, de modo tal que no tienen chance de llegar al nivel del mar.

Los descubrimientos no son puntuales, pertenecen a un proceso 

En 1910 Theodore Wulf, nos regaló una observación monumental, se dió cuenta que la cantidad de partículas cargadas en el ambiente en el punto más alto de la torre Eiffel (330m), es mayor que en la base. Antes de ese experimento se creía que la radiación debía disminuir al alejarnos de la superficie, pues se pensaba que toda la radiación observada en la vecindad de la tierra provenía de la misma tierra. Entre 1911 y 1912, el físico austríaco Víctor Hess, montado en su globo aerostático, realizó varios vuelos aproximadamente a 5 km de elevación y equipado con electroscopios, demostró que efectivamente la radiación aumenta considerablemente con la altura. Nacían los Rayos Cósmicos, descubrimiento que le valió el Premio Nobel. El experimento de Hess confirma que si bien es cierto que la tierra emite radiación, también hay una buena parte que proviene del espacio exterior. Desde entonces, muchos científicos se han dedicado a toda clase de deportes extremos para lograr detectar la radiación de las alturas, han escalado montañas, montado experimentos en globos de aire caliente, viajado a lugares remotos y aguantado climas extremos. Durante los primeros años siguientes al experimento de Hess se creyó que los Rayos Cósmicos constaban solo de fotones muy energéticos o rayos gamma. Más adelante, con instrumentos más precisos y mediciones de mayor altura, incluso con el uso de satélites hemos logrado  entender mejor su composición y origen. 

Marcando los albores del desarrollo de la física de partículas y el modelo estándar 

El curso del desarrollo en la detección de los Rayos Cósmicos nos ha permitido escudriñar nuestro microcosmos. A ellos debemos el descubrimiento de partículas subatómicas que no habían podido ser vistas aún. Ejemplos cruciales son el descubrimiento del positrón por Carl Anderson en 1932, primera evidencia de la existencia de la antimateria, observación que le dio un espaldarazo definitivo a las ecuaciones de Dirac, la primera descripción acertada del electrón que era a la vez cuántica y relativista. Luego, en 1937, Seth Neddermeyer y Carl Anderson descubren al Muón, una partícula que tiene las propiedades de un electrón pero cuya masa es aproximadamente 200 veces mayor. En 1947 Cecil Powell, César Lattes y Giuseppe Occhialini descubren el Pión a 5300 m de altura sobre el monte Chacaltaya en los Andes Bolivianos. Hallazgo fundamental en el estudio de la fuerza fuerte.

Lluvias que no mojan

Una de las cientos de formas de estudiar la radiación cósmica y que resulta relativamente barata, pero no menos emocionante, es colocar miles de “ojos” en vastas extensiones de terreno que nos permitan detectar las lluvias de rayos cósmicos secundarios. La energía de los rayos cósmicos primarios varía entre 10^{9} eV y [10^{20} eV. El flujo de los rayos cósmicos primarios decrece rápidamente con la energía, desde algunas pocas partículas por cm^3 por segundo en la región de menor energía hasta menos de una partícula por km^2 por centuria, para las que se ubican por encima de los 10^{20} eV. Éstos últimos son llamados Rayos Cósmicos Ultra-Energéticos (UHECR por sus siglas en inglés). No es difícil imaginar que mientras la investigación del origen de los rayos cósmicos de baja energía ya está muy avanzada, el estudio de los ultra-energéticos ha sido una odisea.

El observatorio Pierre Auger

Se le dio ese nombre al observatorio en honor a Pierre Auger, físico descubridor de las cascadas de rayos cósmicos secundarios. Ubicado en la Pampa Amarilla, al norte de Argentina, ha abierto una ventana a ese maravilloso mundo de los Rayos Cósmicos Ultra-energéticos. Es el observatorio más grande del mundo, está compuesto por 1600 detectores en un arreglo que cubre una extensión aproximada a la de Luxenburgo y necesitó un presupuesto de puesta en marcha de $50 millones (1/4 del presupuesto de la película Titanic).

Cada detector de este telescopio gigante consta de un tanque con 12000 litros de agua. Son completamente oscuros en su interior, no queremos que absolutamente nada de luz entre en el tanque. ¿Por qué? porque cuando una partícula cargada entra y atraviesa un tanque a una velocidad mayor a la luz en el agua, ésta emite ondas electromagnéticas de “choque” conocidas como luz de Cherenkov, que pueden ser detectadas por fotomultiplicadores (( Los fotomultiplicadores convierten la luz en corriente eléctrica, que es lo que medimos finalmente)) . Además, las partículas cargadas en el aire producen una luz ultravioleta durante sus interacciones con los átomos de Nitrógeno. Esta luz es invisible a nuestros ojos, pero no al observatorio Pierre Auger, que complementa sus observaciones con equipos llamados “centelladores” capaces de detectarla. Toda esta gama de arreglos ha permitido estudiar, a partir de las lluvias secundarias, la energía, trayectoria y dirección de entrada de los rayos cósmicos primarios.

ObservatorioPierreA
Observatorio Pierre Auger, Mendoza, Argentina.

Felizmente, tanto esfuerzo ha rendido muchos frutos, el más importante ha sido la evidencia recolectada del origen de los Rayos Cósmicos Ultra-enérgeticos, resultados publicados en la Revista Science en el 2007 (Aquí se puede leer la versión de prepublicación del arXiv).  Estos estudios muestran que la distribución de esta radiación de ultra alta energía es anisótropa y que proviene de núcleos activos de galaxias vecinas a la nuestra, que se caracterizan por tener agujeros negros masivos en su centro.

¿Es importante habernos dado cuenta de la existencia de los Rayos Cósmicos? Por supuesto. Estudiarlos nos ayuda a comprender en buena medida el origen y la composición del universo, son una verdadera voz del más allá y traen un mensaje que estamos impacientes por descifrar. Más aún, su investigación contribuye al entendimiento del origen de la vida y su evolución en nuestro planeta.

Nota

  • El “eV” o electrón-voltio es una unidad de energía que equivale a 1 eV = 1.6X10^{-19}Joules . Para que tengas una idea, en el caso de 10^{20} eV imagina una pelota de tenis que viaja a 85 km  por hora, tal vez ahora no te impresione mucho, pero te aseguro que es suficiente energía para producir cascadas de billones de partículas secundarias. Recuerda que en el caso de la pelota de tenis hablamos de energía cinética equivalente. Las partículas subatómicas viajan a través de las lluvias al 99% de la velocidad de la luz.

8 Comments

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Colectivismo transnacional en ciencia | Brownianareply
June 13, 2014 at 12:30 pm

[…] detalles sobre los GRB, Rayos Cósmicos y su detección en futura entrega de Browniana […]

En construccion | Brownianareply
July 29, 2014 at 7:50 am

[…] Mensajes del más allá […]

A la caza de neutrinos en China | Brownianareply
August 31, 2014 at 2:21 pm

[…] Se conocen hasta ahora tres tipos o “sabores” distintos de neutrinos: electrónico, muónico y taónico. Se les diferencia por su masa y la naturaleza de las reacciones en las que participan. Los neutrinos también entran en la tierra provenientes del espacio exterior o se generan en la atmósfera en lluvias de partículas o  “rayos cósmicos secundarios”. […]

Destellos del universo sobre los Andes | Brownianareply
October 26, 2014 at 11:21 am

[…] Si un rayo gamma de alta energía, digamos entre los 100 Giga eV-100 Tera eV2 golpea la atmósfera, literalmente, su interacción con los átomos de nitrógeno producirá una cascada de partículas o rayos cósmicos secundarios que pueden ser detectados por instrumentos …. […]

Vinos y Astropartículas | Brownianareply
November 26, 2014 at 2:34 pm

[…] obtener detalles sobre los fenómenos físicos que se estudian allí visita mi post sobre Rayos Cósmicos. […]

Un temporal gestado por el cosmos | Brownianareply
February 15, 2015 at 1:08 pm

[…] nos regaló una buena cantidad de hallazgos invaluables, entre otros la existencia de los Rayos Cósmicos, partículas sub atómicas que deambulan por el universo recorriendo distancias […]

La confección del cosmos | Brownianareply
May 10, 2015 at 2:03 pm

[…] otro lado, el hallazgo de los rayos cósmicos nos adentró en un mundo de conocimiento increíble, fue como caer el agujero de Alicia en el […]

La teoría del todo | Brownianareply
March 26, 2016 at 8:59 am

[…] Principios fundamentales de la física teórica, prevén la existencia de una simetría del espacio-tiempo, a escalas del microcosmos, que establece una correspondencia entre fermiones y bosones. Es decir que cada fermión, en principio, debería tener un compañero bosón y cada bosón debería tener un compañero fermión. Esta simetría se llama supersimetría. Por ejemplo, por cada electrón que observamos debería existir una partícula con las mismas propiedades de masa y carga eléctrica que el electrón, pero que no cumpla con el principio de exclusión de Pauli, es decir que sea un bosón. Los científicos ya le asignaron un nombre, se llama el selectrón. El único problema es que, si es cierto que la supersimetría está presente en la naturaleza, es muy escurridiza pues no ha podido ser observada experimentalmente, hasta ahora5. Actualmente los científicos buscan los rastros de la supersimetría en los aceleradores de partículas, como el gran colisionador de hadrones (LHC-CERN) y en los rayos cósmicos. […]

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