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» » El enigma de los rayos cósmicos

Coincidiendo con el nuevo lanzamiento de la revista Symmetry, presenta en su primera edición mensual de marzo este artículo, entre otros igualmente interesantes, sobre los rayos cósmicos.

Los datos de los colisionadores de partículas más poderosos del mundo deberían estar arrojando alguna luz sobre un misterio de la astrofísica que ya cumple 100 años de edad; pero ni siquiera se ha conseguido explicar las desconcertantes propiedades de partículas más energéticas del universo. ¿Es la ultra-alta energía de los rayos cósmicos más pesada ​​de lo esperado? ¿O es que los científicos inadvertidamente descubren un nuevo tipo de física?

Hace cien años, un científico audaz llamado Victor Hess ascendió 5.000 metros en un globo de aire caliente, armado con la férrea voluntad de encontrar la fuente del misterio científico de la ionización atmosférica observada por todo el mundo.

Lo que descubrió le ganó Premio Nobel de Física en 1936 e hizo cambiar el curso de la investigación cósmica. Descubrió que esta ionización atmosférica aumenta con la altitud, lo que demuestra que no era el resultado de la descomposición natural de los elementos radiactivos en la Tierra, como muchos científicos habían teorizado, sino producido por las partículas procedentes del espacio.

Los científicos llaman a estas partículas de rayos cósmicos, pequeños núcleos atómicos vagabundos que deambulan por todo el universo hasta que chocan contra la superficie de un cuerpo celeste. Y cuanto más aprenden los físicos sobre estas partículas más tentador se hace el misterio de su origen.

Hasta ahora, los científicos no podían conciliar la desconcertante desconexión entre los resultados observados en las instalaciones de investigación de rayos cósmicos, como el Observatorio Pierre Auger en Argentina, y las predicciones basadas en los datos de las colisiones de estas partículas de alta energía en el Tevatrón del Fermilab y el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas.

"Los resultados que estamos observando son interesantes y misteriosos", dice Paul Mantsch, director del proyecto del Observagtorio Pierre Auger. "Esta discrepancia sugiere la posibilidad de una nueva física en la que los protones de ultra-alta energía, actúan como grandes partículas en su interacción con las moléculas atmosféricas."

Como no hay parámetros pre-existentes desde los cuales evaluar sus resultados, los científicos de esta frontera cósmica están empujando hacia un territorio desconocido e induciendo el desarrollo de nuevos métodos, para recoger e interpretar sus datos.

La ultra-alta energía de los rayos cósmicos es muy superior a la energía de cualquier partícula terrestre. El más energético que se ha observado tenía una energía de 3 x 1020 electronvoltios (eV), el equivalente de energía cinética de una pelota de golf volando por el aire a 47 metros por segundo, pero en un simple protón.

Incluso las máquinas más sofisticadas de la Tierra sólo pueden acelerar las partículas a aproximadamente la 10 mil millonésimas parte de la energía de esta energía cósmica. Las partículas aceleradas en el LHC del CERN tienen una energía máxima de alrededor de 3,5 x 1012 eV, el equivalente a la energía cinética de una pelota de golf rodando al tranquilo paso de 0,005 metros por segundo.

Ni siquiera es suficiente la explosión de una estrella, una de las fuentes de energía más poderosas del universo. Los rayos cósmicos de alta energía tienen una energía 100.000 veces mayor que las partículas liberadas por una supernova.

Entonces, ¿De dónde consiguen los rayos cósmicos esta endiablada cantidad de energía?

"Esperamos que estas partículas se vayan acelerando a través del tiempo, por la interacción entre los campo magnético y eléctrico", deduce Mantsch, "pero de dónde vienen y lo que son, todavía es un misterio."

Estas partículas de ultra-alta energía son extremadamente atractivas para los físicos, pero su escasez presenta un desafío para la investigación. Cada segundo, unos 10.000 rayos cósmicos de baja energía por metro cuadrado se estrellan contra la atmósfera de la Tierra, pero de ultra-alta energía cada año son unos cinco millones, una cifra que se traduce en más o menos una partícula por kilómetro cuadrado en un siglo.

Observar estas esquivas partículas es como tratar de atrapar al azar las mariposas más raras del mundo blandiendo una pequeña red. No obstante, los investigadores del Observatorio Pierre Auger tiene una solución: Utilizar una red mucho más grande y mejor.

El observatorio se extiende a lo largo de 3.000 kilómetros cuadrados y emplea dos métodos para la detección de rayos cósmicos. El primero está formado por 1.600 tanques, cada uno lleno de 12.000 litros de agua ultra pura. Estos depósitos actúan como almohadillas de choque para las mil millones más o menos de las partículas secundarias (muones, piones, iones y otros tipos de metralla atómica), y entre esa lluvia pueda haber un rayo cósmico que rompa una molécula atmosférica. Cuando estas partículas secundarias penetran el agua de los tanques, generan diminutos destellos de luz que son registrados por detectores sensibles a la luz. Los científicos pueden reconstruir la energía y la dirección del rayo cósmico inicial mediante el análisis de la cantidad y la distribución de la luz.

La segunda técnica de detección utiliza una serie de ojos en el cielo de alta tecnología. Cuando la cascada de partículas cargadas se abre paso por el nitrógeno atmosférico, el nitrógeno libera una pequeña emisión de la luz ultravioleta. Los detectores, en extremo sensibles, son capaces de ver estas cascadas de emisiones UV de los rayos cósmicos y las consiguientes lluvias de partículas.

Desde el Observatorio Pierre Auger se comenzó a recopilar datos en 2004, y los científicos han observado 60 rayos cósmicos de ultra alta energía. Pero los datos son desconcertantes. Los científicos esperaban que sus avanzadas técnicas de detección, combinadas con instalaciones de observación múltiples, darían una idea más clara de los rayos cósmicos. En vez de eso, cuanto más aprenden los científicos sobre sus propiedades más desconcertantes parecen.

Los científicos utilizan modelos matemáticos basados ​​en los datos de colisiones de alta energía del LHC y del Tevatrón, para interpretar el comportamiento de los rayos cósmicos. Una extrapolación rápida de estos modelos sugieren que los rayos cósmicos de ultra alta energía son núcleos de átomos pesados, como el hierro, y que se originan en la cercana galaxia Centaurus A. Sin embargo, un par de piezas del puzzle no encajan. Si dicha suposición es correcta, entonces, también se deberían ver un montón de protones de baja energía desde la misma galaxia siguiendo la misma ruta, pero no lo hacen. Esta evidencia, por sí sola podría descartar esta opción.

La posibilidad que actualmente se baraja en Auger es que, los rayos cósmicos de ultra alta energía son núcleos ligeros que de alguna manera actúan como partículas pesadas cuando interactúan con la atmósfera. Esta conjetura reconcilia las discrepancias con los datos, pero no deja de ser inquietante para los investigadores.

Tal vez, lo más sorprendente, es el número de muones que se observan en estas lluvias de partículas secundarias. Los investigadores predijeron los límites superior e inferior en cuanto al número de muones que deberían verse, basándose en los datos del Tevatron y el LHC. Las colisiones de baja energía entre los núcleos ligeros producen una menor cantidad de muones, y las colisiones de alta energía entre los núcleos pesados ​​producen la mayor parte de ellos; sin embargo, el número real de muones observados en el observatorio Auger está muy por encima del límite superior pronosticado, esto es otra parte de la información que apunta ya sea a núcleos ultra-pesados ​​o una nueva física.

Pero no todos los experimentos de rayos cósmicos han llegado a las mismas conclusiones. El Telescopio Array, de la Universidad de Utah, tiene un detector configurado de forma similar a la del observatorio Auger, pero más pequeño. Cuenta con tres estaciones detectoras de fluorescencia y 507 detectores de centelleos de superficie, separados por 1,2 kilómetros de distancia.

"Nuestra interpretación indica que los rayos cósmicos de ultra alta energía están dominados por los protones, no por los núcleos pesados", señala el estudiante graduado en la Universidad de Utah, Zach Zundel. "Esta interpretación parece consistente con otras características confirmadas en el espectro de rayos cósmicos. Por ejemplo, la ubicación de la supresión GZK, que es el resultado de la interacción entre los protones y el omnipresente fondo de microondas del cosmos, coincide con el espectro observado."

El Observatorio Pierre Auger y el telescopio Array de Utah tienen coincidencia de datos, las diferentes conclusiones son el resultado de la perspectiva y la interpretación.

"Cuando interpretamos nuestros datos, asumimos que el conjunto de datos está sesgado por la geometría del detector. Contamos con este sesgo, así como el sesgo de la reconstrucción, cuando calculamos los valores esperados para una lluvia máxima, que estamos utilizando para determinar el tipo de partícula primaria", explica la estudiante Monica Allen, otro miembro del grupo de Utah.

Los científicos del Observatorio Pierre Auger utilizan un enfoque imparcial para analizar sus resultados. No está claro cuál puede ser el enfoque correcto, pero debido a que los modelos son una extrapolación, a partir de las colisiones de partículas, con una mil millonésima de la energía de éstas, al tratar de entenderlo, siempre habrá ambigüedad.
Si Hess Víctor supiera cuán confuso y complicado se convertiría su descubrimiento cósmico aún 100 años más tarde.

Los investigadores de rayos cósmicos de todo el mundo están colaborando unidos para desarrollar nuevos métodos de detección que pueden ayudar a resolver este misterio.

Los científicos han ampliado las capacidades del Observatorio Pierre Auger y del Telescopio Array de la Universidad de Utah, con la incorporación de telescopios de alta sensibilidad, capaces de observar débiles lluvias de partículas generadas por los rayos cósmicos de media y baja energía. Dichas incorporaciones se terminaron en 2010, y ayudarán a profundizar en la comprensión científica de ultra-alta energía de los rayos cósmicos.

Otros frentes que ayudan a desentrañar el misterio de los rayos cósmicos, se abordan con los instrumentos para registrar las ondas de radio y las microondas liberadas por las lluvias de rayos cósmicos. Dos de estos instrumentos son el telescopio Microwave Detection of Air Showersson, de la Universidad de Chicago (MIDAS), y el detector de lluvias de diseño holandés Auger Engineering Radio Array (AERA), instalado recientemente en el observatorio Auger.

Los investigadores de rayos cósmicos tienen la esperanza de que el plan del CERN para incrementar la energía del LHC y producir colisiones con más energía, les ayudará a establecer mejores modelos que describan los comportamientos de los rayos cósmicos que se están observando, y al mismo tiempo ayudar a los científicos del LHC a entender la posible nueva física que podría estar fuera de su alcance. Estos esfuerzos conjuntos permitirán a los investigadores para ver con otros ojos la ultra alta energía de los rayos cósmicos, con la esperanza de acercarnos a la solución del enigma.



- Referencia: SymmetryMagazine.org, marzo 2012, por Sarah Charley
- El descubrimiento de los rayos cósmicos a través del tiempo .
- Vídeo Observatorio de Pierre Auger.
- Imagen 2) Observatorio Pierre Auger. Imagen 3) Simulación del impacto de una partícula proveniente del espacio de 1 TeV (1e12 eV) y la radiación cósmica consecuente sobre Chicago; ambas imágenes de Wikipedia.

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