Los rayos cósmicos de muy alta energía tienen su origen fuera de...

Los rayos cósmicos de muy alta energía tienen su origen fuera de nuestra galaxia

Recreación de la entrada de rayos cósmicos.
Recreación de la entrada de rayos cósmicos.

La colaboración científica internacional responsable del Observatorio Pierre Auger informa en un artículo que se publica el 22 de septiembre en la revista Science sobre una observación que demuestra que los rayos cósmicos de muy alta energía, un millón de veces superior a la de los protones acelerados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, son de origen extragaláctico.

Desde que en los años sesenta se estableció la existencia de rayos cósmicos extremadamente energéticos se ha especulado sobre la posibilidad de que estas partículas se produzcan tanto en nuestra propia galaxia como en lugares mucho más lejanos. La solución de este misterio llega ahora, más de medio siglo después, con la detección de partículas con una energía media de 2 julios en el Observatorio Pierre Auger en Argentina, al confirmar que la cantidad de partículas que llegan en una dirección, alejada 120 grados del centro de nuestra galaxia, es un 6% mayor que en la dirección opuesta.

400 científicos de 18 países

En palabras del profesor Karl-Heinz-Kampert (Universidad de Wuppertal, Alemania), portavoz de la Colaboración Auger, que engloba a más de 400 científicos de 18 países (incluida España), “ahora estamos considerablemente más cerca de resolver el misterio de dónde y cómo se crean estas partículas de energías extraordinarias, una pregunta de enorme interés para la Astrofísica. Nuestras observaciones representan una evidencia contundente de que los lugares en los que se aceleran están más allá de la Vía Láctea”.

El profesor Alan Watson (Universidad de Leeds, Reino Unido), portavoz emérito, considera que este resultado “es uno de los más emocionantes que hemos obtenido, y que responde a una de las preguntas clave que se pretendía responder cuando fue concebido este Observatorio por Jim Cronin y por mí mismo hace más de 25 años”.

Rayos cósmicos, núcleos atómicos de diferentes elementos

Los rayos cósmicos son núcleos atómicos de diferentes elementos, desde los más ligeros como el hidrógeno, con sólo un protón, hasta los más pesados como el hierro. A energías elevadas, superiores a 2 julios (1 julio = ~ 6 x 1018 electronvoltios), su ritmo de llegada a la Tierra decrece tanto que atraviesan una superficie equivalente a un campo de fútbol con una frecuencia promedio de una vez por siglo. Aun así, siendo tan poco frecuentes estos rayos cósmicos se detectan porque, en interacciones sucesivas con los núcleos de la atmósfera, producen avalanchas o ‘lluvias’ de múltiples electrones, fotones y muones que surcan la atmósfera prácticamente a la velocidad de la luz, agrupados en forma de disco, como un plato llano de varios kilómetros de diámetro.

Luz Cherenkov.

Lluvias con más de diez mil millones de partículas

Estas ‘lluvias’, que contienen más de diez mil millones de partículas, se detectan porque producen una onda de choque de luz en el agua (luz Cherenkov) al atravesar algunos de los 1.600 detectores del Observatorio Auger, cada uno con 12 toneladas de agua, que están esparcidos en 3.000 kilómetros cuadrados al oeste de Argentina, en una superficie comparable con la isla de Mallorca. Los tiempos de llegada de estas partículas en los detectores, medidos con receptores GPS, se usan para establecer la dirección de llegada del rayo cósmico con una precisión mejor que 1 grado.

Estudiando la distribución de las direcciones de llegada de más de 30.000 partículas cósmicas, la Colaboración Auger ha descubierto un exceso con una significación estadística de 5,2 desviaciones estándar (que en el lenguaje científico implica que hay solo una probabilidad entre 10 millones de que el resultado sea fruto de la casualidad), en una dirección en la que la distribución de galaxias es relativamente alta. Aunque este descubrimiento apunta claramente al origen extragaláctico de estas partículas, todavía no pueden ser nítidamente especificadas las fuentes que las producen.

La dirección del exceso apunta a una amplia región del cielo más que a objetos específicos, ya que incluso partículas tan energéticas como estas se desvían decenas de grados en los campos magnéticos de nuestra galaxia. A pesar de ello, para cualquier configuración realista del campo magnético galáctico, la dirección del exceso observado es incompatible con fuentes localizadas en el plano o en el centro de la galaxia.

“Se trata de un descubrimiento que demuestra que las direcciones de los rayos cósmicos más energéticos poseen valiosísima información, poniendo de relieve la importancia del proyecto de mejora del Observatorio (AugerPrime), todavía en construcción, para poder extraerla con mayor eficacia. El avance ha sido posible gracias al amplio campo de visión del Observatorio, que, a pesar de estar en el Hemisferio Sur, mide con precisión rayos cósmicos que proceden de gran parte del Hemisferio Norte. Esto ha sido posible gracias a que se ha conseguido analizar los rayos cósmicos que inciden con una inclinación entre 60 y 80 grados con la vertical, algo que fue propuesto por el grupo del Instituto Galego de Física de Altas Enerxías, en la Universidad de Santiago de Compostela, y que ha estado bajo su responsabilidad”, dice Enrique Zas, líder científico del Observatorio en España y miembro de este centro de investigación.

Existen rayos cósmicos con energías todavía mayores que los que se han utilizado en este trabajo, con una energía cinética más propia de una pelota de tenis bien golpeada por Rafa Nadal que de una partícula subatómica. Como se espera que las desviaciones de estas partículas sean inferiores, las direcciones de llegada deberían apuntar mejor a los lugares donde se crearon. Estos rayos cósmicos, que son todavía menos frecuentes, son objeto de intensos estudios con el objetivo de determinar cuáles son los objetos extragalácticos capaces de producirlos. “Conocer mejor la naturaleza de estas partículas será de gran ayuda para poder realizar dicha identificación. Existen planes de trabajo para llevar a cabo este objetivo gracias al programa de mejora del Observatorio Pierre Auger que se espera completar en 2018”, indica Antonio Bueno, profesor de la Universidad de Granada y coportavoz del Observatorio.

El Observatorio Pierre Auger

El Observatorio Pierre Auger registra lluvias de rayos cósmicos con una redhexagonal de 1.600 detectores de partículas, separados entre sí un kilómetro y medio y cubriendo una superficie de 3.000 kilómetros cuadrados. Además, veinte y sietetelescopios especialmente diseñados detectan la luz de fluorescencia que emiten las moléculas de nitrógeno de la atmósfera con el paso de cada lluvia. La combinación de ambas técnicas lo convierte en el detector de rayos cósmicos ultraenergéticos más grande y más preciso del mundo con el que se han obtenido y siguen obteniendo importantes resultados en este campo.

La primera piedra para la construcción del observatorio Pierre Auger del sur se puso el 17 de marzo de 1999 en Malargüe, en la provincia argentina de Mendoza. Después de un largo período de desarrollo y comprobación, losprimeros datos comenzaron a tomarse en enero de 2004. El Observatorio recibe su nombre del científico francés Pierre Victor Auger(1899-1993), que descubrió en 1938 los chubascos atmosféricos producidos por la interacción de rayos cósmicos en la atmósfera.

Uno de los edificios del observatorio Pier Auger.

La participación de España

En la actualidad,dos instituciones españolas participan activamente en el análisis de datos de la colaboración Pierre Auger: la Universidad de Granada y el Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) de la Universidad de Santiago de Compostela, con un total de 6 profesores e investigadores y 4 estudiantes de doctorado.

La participación en el proyecto se remonta a su origen en los años 90, cuando el grupo de Santiagode Compostela propuso una candidatura para ubicar el observatorio PierreAuger del hemisferio norte en Tierra de Campos. En colaboración con el premio Nobel James W. Cronin y Alan A. Watson, principales impulsores del Observatorio, dicho grupo también propusola búsqueda de neutrinos de altas energías y el análisis de eventos muy inclinados.

España pasó a formar parte de la colaboración Pierre Auger en el año 2002.La aportación material española más significativa al observatorio es el sistema de potencia de los detectores de partículas alimentados por energía solar. Fue financiada por varios proyectos del Ministerio de Ciencia y Tecnología primero, y de Educación y Ciencia después.

El grupo de Astrofísica de Partículas del IGFAE, dirigido por el profesor Enrique Zas, se ha significado por el análisis de lluvias inclinadas que permite observar una gran parte del hemisferio norte celeste, contribuyendo al descubrimiento que ahora se presenta, obtenido comparando las cantidades de partículas que llegan de diferentes direcciones del firmamento. Al dotar de esta capacidad al detector más grande y más preciso que existe para detectar estas partículas, se ha conseguido encontrar una dirección preferente, en la que la cantidad de partículas es máxima, disminuyendo gradualmente a medida que la dirección de observación se aleja de ésta hasta llegar a un mínimo en la dirección opuesta.

También se ha significado en la búsqueda de neutrinos de altas energías, que ha permitido establecer límites a los flujos, en particular para los espectaculares eventos de colapso de sistemas binarios de agujeros negros, detectados recientemente por las ondas gravitacionales que generaron.

El grupo de la Universidad de Granada, dirigido por el profesor Antonio Bueno, centra su interés en entender qué tipo de núcleos componen el flujo de rayos cósmicos ultraenergéticos que bombardean la atmósfera. Estas medidas son esenciales para identificar cuáles son las fuentes de producción de esta radiación cósmica. Usando los tiempos de llegada de las partículas a los detectores de superficie del Observatorio Auger, el grupo de Granada ha obtenido una primera evidencia experimental de que, a las energías más extremas,el flujo parece contener partículas ligeras (protones). Esta información hace aún más relevante la mejora de los detectores de superficie, AugerPrime, pues incrementa las posibilidades de resolver en un futuro próximo el misterio del origen de las partículas más energéticas jamás detectadas.

La participación española en Auger destaca, no solo por su notable productividad científica, sino también por su elevado compromiso en la formación de jóvenes investigadores. Hasta la fechase han defendido más de 20 tesis doctorales basadas en los datos recogidos por el Observatorio. Esto supone casi un 10% del total de doctores egresados de Auger, cuando por tamaño España representa aproximadamente un 4% del total del experimento.

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