Las partículas más energéticas jamás estudiadas por los físicos no se han detectado en los grandes aceleradores de partículas construidos por el hombre, sino en los observatorios astronómicos. Los llamados rayos cósmicos ultraenergéticos golpean la Tierra procedentes de más allá de nuestra propia galaxia, y su energía es tal que aún no hay una teoría aceptada para explicar qué fenómeno es capaz de generarlos.
Pero los datos del mayor observatorio del mundo que los detecta apuntan por ahora a que “la hipótesis más probable es que proceden de los enormes agujeros negros en el centro de galaxias”, ha explicado el premio Nobel James E. Cronin, ponente del ciclo sobre Astrofísica y Cosmología organizado en Madrid por la Fundación BBVA.
El enigma del origen de los rayos cósmicos se encuentra entre los más acuciantes de la Física actual. Cronin, uno de los principales expertos internacionales en esta área, discípulo de físicos legendarios como los premios Nobel Enrico Fermi y Edward Teller, cree que la explicación podría estar cercana.
El enigma de los rayos cósmicos de muy alta energía tomó cuerpo hace dos décadas. A principios de los noventa, varios detectores de rayos cósmicos registraron la llegada de partículas mucho más energéticas de lo que las teorías sobre fenómenos astrofísicos conocidos podían explicar. Los físicos describen el inesperado hallazgo como «ir a cazar mariposas y encontrarte con un avión en la red». Eran partículas con cientos de millones de veces más energía de la alcanzable en un acelerador como el LHC (Large Hadron Collider), del CERN, cerca de Ginebra.
“Necesitaríamos un acelerador de partículas más grande que nuestra propia galaxia para generar partículas más energéticas”, explicó Cronin. “Así que para estudiar los rayos cósmicos de muy alta energía estamos en manos de la naturaleza, sólo podemos tomar datos”.
¿Qué puede acelerarlas tanto? “Es emocionante saber que ahí fuera hay algo capaz de generar estas energías”, dice Cronin.
Cronin propuso en 1992 -junto con su colega Alan Watson- la construcción de una gran instalación que ayudara a resolver el misterio. Su idea se ha materializado en la mayor trampa del mundo para rayos cósmicos: el Observatorio Pierre Auger, en el que participan unos 500 científicos de 95 instituciones de 18 países, entre ellos España.
Cuatro rayos en cuatro años
El Pierre Auger está en marcha desde hace cuatro años en Malargüe, Argentina. “Funciona maravillosamente, los datos son de una calidad excepcional”, señaló Cronin. Sin embargo los rayos cósmicos de muy alta energía son tan raros que sólo llega a la Tierra uno por kilómetro cuadrado y siglo. Por eso, “en todo este tiempo sólo hemos detectado cuatro de las partículas de más alta energía”. Para resolver el misterio de su origen “necesitamos más datos”.
Precisamente porque los rayos cósmicos de muy alta energía son muy raros, el Observatorio Pierre Auger es inmenso: cuanto mayor sea la trampa, más posibilidades hay de que funcione. El Pierre Auger se extiende a lo largo de 3.000 km2 en plena Pampa Amarilla. Consiste en 1.600 detectores -que son tanques de agua pura-, separados entre sí 1,5 kilómetros. Se complementan con 24 telescopios sensibles a la luz ultravioleta.
La extensión es tanta porque lo que se detecta, en realidad, no son los rayos cósmicos en sí, sino la cascada de partículas secundarias que genera su impacto en la atmósfera. Los rayos cósmicos cruzan el universo casi a la velocidad de la luz y al chocar con la Tierra desencadenan en la atmósfera una lluvia de millones de partículas de menos energía. El frente de esta cascada de partículas llega a ser de 16 kilómetros cuadrados.
Así, cada vez que una partícula penetra en un detector, un ordenador envía por radio una señal a un centro de datos que integra la información de los demás. Además, los telescopios detectan la luz ultravioleta que produce la cascada de partículas a su paso por la atmósfera -como una estrella fugaz, aunque demasiado rápida para que el ojo humano la vea-.
Agujeros negros
El Observatorio Pierre Auger ya ha proporcionado un importante resultado sobre el origen de los rayos cósmicos ultraenergéticos: los inmensos agujeros negros que ocupan el núcleo de galaxias activas serían una fuente probable.
Por ahora los datos muestran una correlación entre la dirección de la que proceden los rayos cósmicos detectados y la localización de galaxias con grandes agujeros negros en sus núcleos. Cronin insiste, no obstante, en que esta hipótesis aún necesita ser confirmada con más observaciones.
Además, los astrofísicos aún no cuentan con una buena teoría para explicar exactamente el mecanismo de aceleración de las partículas en los agujeros negros. La idea general es que cuando estos sumideros cósmicos de miles de millones de masas solares devoran materia, en sus inmediaciones se emiten chorros de material que se mueve a casi la velocidad de la luz; una partícula presente en el entorno que interaccionara con estos chorros podría convertirse en un súper rayo cósmico.
(Tomado íntegramente de MadrI+D Noticias, título original: “Resuelto el misterio de los rayos cósmicos que golpean la Tierra“)
Flujo de rayos cósmicos. (Fuente: "The northern site of the Pierre Auger Observatory", Johannes Blümer and the Pierre Auger Collaboration, New J. Phys. 12 (2010)
Jim Cronin
Conocí personalmente a Jim Cronin (así me lo presentaron) en una reunión internacional sobre rayos cósmicos, creo recordar que fue en 1997. Por entonces yo trabajaba en HEGRA, y sobre todo en el Proyecto MAGIC. En aquella época, el Proyecto Auger era poco más que una entelequia (como MAGIC), y el Prof. Cronin no dejaba de asistir a congresos para exponer y defender a capa y espada su idea. El problema fundamental era el flujo, que se suponía mínimo dadas las medidas de que se disponían en la época, pero que podría convertirse en casi nulo de existir algún mecanismo astrofísico que actuase a esas energías – no hay que olvidar que el flujo observado baja de manera exponencial con la energía (auque con ciertas “rodillas” y “tobillos”, como suelen denominarse a las variaciones de la pendiente de la curva de flujo en escala log-log): el flujo de rayos cosmicos de 1011 eV (100 GeV) es de aprox. 1 rayo cósmico/m2/segundo, baja para 1016 eV (10 PeV) a aprox. 1 rayo cósmico/m2/año, y a 1019 eV (10 EeV) es sólo de 1 rayo cósmico/km2/año. Y si el ritmo que se pensaba que se iba a obtener era un “suceso” por año, pero por alguna razón alguna fuerza o algún elemento desconocido hacía que ese flujo fuese mucho menor (lo cual era plausible dado el conocimiento a esas energías aún prácticamente inexploradas), el Auger podría convertirse en uno de los fiascos más caros de la Física experimental, salpicando a la Física de partículas y a la Astrofísica.
Recuerdo como era increíble la fuerza, la energía con la que el Prof. Cronin defendía sus tesis. Además, él ya era una eminencia: fue Premio Nobel de Física en 1980 junto con su colega Val Logsdon Fitch por el descubrimiento de la violación de la simetría CP. En sus charlas y en las conversaciones que mantuvo después con nuestro equipo (ya que compartíamos intereses comunes), fue tal el entusiasmo que demostró, que recuerdo que me hizo pensar: “Chico, tienes ante ti a uno de los grandes, uno de esos físicos que hacen historia”.
Ahora uno siente una gran satisfacción al ver como, aunque lentamente, los resultados se van obteniendo (en MAGIC también, y de qué manera). Y estos resultados son extremadamente importantes para la Astrofísica, la Cosmología, y en general para los modelos del Universo.
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