Largo viaje de los rayos cósmico

De la Tierra a las estrellas

A comienzos del nuevo siglo, en 1909, Theodor Wulf, un padre jesuita profesor de Física de la Universidad de Valkenburg (Holanda), construía un electróscopio o electrómetro, un instrumento que permite medir variaciones de la cantidad de carga eléctrica. Era una versión del experimento que hacemos en el colegio de frotar un objeto de plástico, tocar el electróscopio y comprobar que dos finas laminitas metálicas se separan.  Theodor, observó que sin ser tocado su electróscopio se cargaba. En ese entonces la radioactividad estaba en su infancia, descubierta por Henri Becquerel y Marie Curie, era un intenso foco de estudio de la comunidad científica. Por ello se creía que ciertos minerales radioactivos emitían partículas cargadas y activaban el invento del Prof. Wulf. Sin embargo a este padre jesuita se le ocurrió medir las variaciones de la carga depositada en su electroscopio a medida que ascendía en la Torre Eiffel y descubrió que esa carga depositada aumentaba y no disminuía como se esperaba.

Su artículo reportando este efecto no fue tomado en cuenta por el convencimiento de la comunidad que ese efecto era de origen terrestre. Un par de años después, en 1911, el geofísico italiano, Domenico Pacini hace medidas con el electroscopio de Wulf en montañas, sobre la superficie de lagos, y el mar a 3m de profundidad comprobando un decrecimiento en la cantidad de la carga depositada, y se aventura a proponer que ese efecto debe ser extraterrestre.

Espectroscopio original de Theodor Wulf https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Originalwulf.jpeg

Espectroscopio original de Theodor Wulf https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Originalwulf.jpeg

En ese mismo año, Víctor Hess, recién doctorado de la Universidad de Gaz (Austria) se apasiona en el estudio del fenómeno y demuestra, luego de un detallado e incansable estudio de más de 2 años, que es de origen extraterrestre y que además no está necesariamente asociado a la actividad solar. Hess recibe el premio nobel en 1936 por sus aportes al mostrar que el efecto de carga de los eletroscopios proviene de fuera de nuestro planeta y no de la radioactividad natural como se pensaba. Lo compartió con Carl D. Anderson descubridor del positrón en 1932.

 

Los rayos que son partículas.

Robert A. Millikan, uno de los mejores físicos experimentales de la época y también premio nobel por el descubrimiento del electrón, ratifica el origen extraterrestre del efecto de carga en los electroscopios y los bautiza como rayos cósmicos por creer que eran fotones de mucha energía. Nada tenía que ver la deposición de carga en los electroscopios con radiación, Millikan le apostaba a radiación gamma y no lo era. En 1927 el físico holandés Jacob Clay, comprueba que la radiación cósmica aumenta con la latitud, que debe estar siendo afectada por el campo magnético terrestre y que por lo tanto deben ser partículas cargadas y no fotones. Tres años después, en 1930, Bruno Rossi parte de esa pléyade de físicos italianos obligados a emigrar por el fascismo, muestra que efectivamente son partículas cargadas que son afectadas por los campos geomagnéticos y que necesariamente deben tener carga positiva porque se registra una mayor intensidad cuando provienen del oeste.

Develando la estructura íntima de la materia

Antes que de era de los grandes aceleradores fueron los rayos cósmicos quienes nos fueron develando la estructura más íntima de la materia. No eran experimentos controlados pero si muy copiosos y, algún chance tuvimos de mirar los efectos de alguna de las millones de millones de colisiones que ocurren en la atmósfera comenzando a mas de 100 km de altura y que nos llegan en forma de una constante lluvia de partéculas.
Los positrones, los piones, y los muones fueron descubiertos en las trazas de los rayos cósmicos antes de tener los aceleradores de partículas. En la era de los aceleradores hemos ido construyendo el rompecabeza del modelo estándar de la estructura de los mas pequeño, hemos ido reconstruyendo algunos momentos del origen de nuestro universo. Hoy tenemos instrumentos que nos llevan a energías de nunca antes alcanzadas: En el CERN, el Large Hadron Collider alcanza colisiones de ~14 Tera electron-voltios que nos ha permitido completar casi todo el modelo para comprender los constituyentes mas fundamentales de la materia.
Pero seguimos viendo a los rayos cósmicos como el acelerador natural mas portentoso, que nos pueden brindar eventos cib energías 100 y hasta 1000 veces mayor que las colisiones que registra en el LHC. Allí podremos quizá ver algunas sorpresas del modelo estándar de partículas elementales cuando aumentamos la energía. Ya estamos comenzando a comprobar que medimos mas muones que lo que debiéramos si extrapolamos lo que sabemos del los resultados del CERN. Pero son muy pocas, poquísimas partículas de Ultra-Alta Energía que impactan la alta atmósfera. Estamos hablando de ~1 partícula por kilómetro cuadrado por año, algo así como una partícula que impacta una cancha de futbol por siglo. Son eventos muy esporádicos pero con la paciencia y detectores apropiados podremos verlos.

¿Qué es el Observatorio Pierre Auger?

Es el observatorio de rayos cósmicos más grande del mundo, orientado al estudio de los rayos cósmicos ultra-energéticos y,  recientemente, a explorar los efectos colaterales de las radiaciones cósmicas sobre en el clima terrestre y espacial.

Fue propuesto a principios de los 90 por Alan Watson y James Cronin (Nobel de Física, 1980), con el fin de dar respuesta a los enigmas sobre el origen y la naturaleza de estos fenómenos ultra energéticos. Está ubicado en Pampa Amarilla, Malargüe-Argentina, cubre una extensión de más de 3000 Kilómetros cuadrado y es operado por una colaboración de casi 500 investigadores, de 82 instituciones académicas de 16 países (https://www.auger.org/ ). La inversión inicial -1660 detectores de superficie y 24 telescopios de fluorescencia- superó los 53 millones de dólares y su operación anual ronda los 1,6 millones de dólares.
Colombia, representada por la Universidad Industrial de Santander, participa como miembro asociado bajo la tutela de Brasil desde Noviembre 2014 y a partir de este año 2017 como miembro de la colaboración.
Quizá el logro más importante del Observatorio Pierre Auger es haber construido un inigualable ambiente de equipamiento y apoyo técnico para el estudio de la radiación cósmica. En ese inmenso polígono -de casi 70km de “diámetro” y una superficie de 3000 Km2 – ha surgido un conjunto de instrumentos que se complementan entre sí y permiten estudiar, como en ningún otro lugar del planeta, la radiación cósmica desde múltiples perspectivas.

Desde sus inicios el Observatorio contó con: 1660 detectores de superficie y 24 telescopios de fluorescencia. Con los años, este equipamiento se ha ido mejorando con otros importantes instrumentos:
*) HEAT (por High Elevation Auger Telescopes) son telescopios de fluorescencia que pueden registrar las primeras etapas de las cascadas de partículas producidas por rayos cósmicos;
*) AERA (por Auger Engineering Radio Array) es un arreglo de antenas para detectar la traza de radio-pulsos electromagnéticos (30 a 80 MHz) que dejan los rayos cósmicos;
*) AMIGA (por Auger Muons and Infill for the Ground Array ) es un complemento de detectores de centelleo que permiten estudiar la composición de partículas de los rayos cósmicos de ultra alta energía.

Este conjunto de instrumentos se verá repotenciado por la nueva generación de detectores de superficie -AugerPrime- que aumentarán significativamente la capacidad del Observatorio.

Logros científicos del Observatorio

Los logros científicos más impactantes del Observatorio se centran en la determinación del espectro de energía de los rayos cósmicos más energéticos jamás medidos y su posible asociación con los núcleos activos de galaxias -regiones centrales de ciertas galaxias que presentan una significativa emisión de energía por la supuesta presencia de un agujero negro supermasivo. Igualmente se han establecido cotas para la existencia de variados fenómenos físicos, en particular para la detección de neutrinos que atraviesan grandes volúmenes de roca.

Recientemente, el Observatorio Pierre Auger ha comenzado a interesarse en los efectos colaterales de los rayos cósmicos sobre el clima espacial y terrestre. En particular, la modulación de radiación cósmica de baja energía por la radiación solar y las variaciones del campo geomagnético producto de eyecciones de masa coronal provenientes del Sol. Este tipo de información es muy relevante para el desarrollo de blindaje y protocolos de protección radiofísica para las expediciones espaciales y tripulaciones de aviación comercial.

Igualmente, se ha iniciado una línea de investigación para estudiar la relación de la radiación cósmica con descargas eléctricas en varios niveles de la atmósfera terrestre. De este modo, se comienza a dilucidar una posible relación entre la meteorología espacial y la terrestre.

Desde el punto de vista tecnológico, el observatorio ha realizado importantes contribuciones en instrumentación científica, desarrollando interfaces electrónicas para la detección rápida (nanosegundos) de eventos y esquemas de detección de la interacción cósmicas con diversos dispositivos (centelladores, detectores Cherenkov, detectores de fluorescencia, detectores de variaciones de campo electromagnéticos, entre otros).

Finalmente, Auger ha desarrollado una batería de algoritmos para el análisis de grandes volúmenes de datos y simulaciones detalladas de las interacciones de los rayos cósmicos con la atmósfera. Estas herramientas y resultados permiten a los distintos grupos de trabajo extraer la más variada información de los 1660 detectores de superficie correlacionándola con los registros de los 24 telescopios de fluorescencia.

Durante los casi 15 años de operación, estos logros se han visto reflejados en mas de 500 publicaciones en revistas internacionales de altísimo impacto, las cuales han recibido casi 11000 citas. Cuatro de los artículos publicados se consideran como clásicos en Astropartículas (más de 500 citas por artículos) mientras que otros 4 se tienen por contribuciones famosas (entre 250 y 499 citas por artículo) http://inspirehep.net/search?ln=en&p=cn%20Pierre%20Auger&of=hcs2

¿Qué es lo que se está anunciando hoy?

Hoy estamos presentando una respuesta a esas preguntas que dieron origen al Observatorio ¿cuál es el origen de los rayos cósmicos de ultra-alta energía? ¿provienen de eventos cataclísmicos dentro de nuestra galaxia o quizá de fuera de ésta? Luego de hurgar en millones de millones de datos registrados durante los últimos 12 años, se pudieron aislar 30.000 eventos de 4 Exa electronvoltios o más (100 veces mas energéticas que las partículas del CERN) provenientes de casi la totalidad del cielo del hemisferio sur. Esos eventos mostraron una anisotropía que solo es consistentes con el origen extragalático. Dicho en pocas palabras, cuando miramos hacia el centro de la galaxia vemos menos partículas que cuando miramos hacia su borde, y esa diferencia es significativa para ser considerada un resultado confiable. Esa diferencia fue corroborada independientemente por diferentes métodos y por varios equipos de trabajo.

¿Cuál será el impacto de este descubrimiento?

Primeramente la importancia de este esfuerzo de años, de una colaboración de casi 500 personas de mas de 80 instituciones de 16 países, pacientemente y sin descanso han tabajando por mas de 20 años para presentar estos incontestables resultados. Segundo el avance tecnológico en la detección tanto en la parte instrumental como en los algoritmos y técnicas que se han ido desarrollando. La innovación no viene sola, nace de la ciencia básica hecha con calidad, perseverancia y paciencia. No podemos emprender planes nacionales de innovación que no estén soportados por aportes sólidos en ciencia básica.
Pero quizá lo más importante es que estamos en el nacimiento de la Astrofísica de multimensajeros. Comenzamos a ver a los objetos astrofísicos desde distintas perspectivas. Esos cataclismos producen radiación, expelen partículas y nos mueven el espacio tiempo. Varios observatorios en el mundo miran sin cesar esos restos de los acontecimientos mas energéticos de nuestro universos. Supernovas, choques de galaxias, coalescencia de agujeros negros, de estrellas de neutrones producen grandes cantidades de energía que nos llegan en forma de destellos gamma, neutrinos, protones energéticos y ondas gravitacionales. Estamos por comenzar esa era y Observatorios como el Pierre Auger forma parte de esos ojos gigantes que miran hacia el cielo

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