¿Qué son los rayos cósmicos?

¿Qué son los rayos cósmicos?

Publicado  Felix Vargas

Los rayos cósmicos son partículas que llegan desde el espacio profundo y bombardean constantemente la Tierra desde todas direcciones y en cualquier momento. La mayoría de estas partículas se tratan de protones o núcleos de átomos.
Sus procedencias pueden ser desde las propias estrellas de neutrones hasta explosiones de estrellas o galaxias. Al proceder de eventos muy violentos, estas partículas alcanzan gran cantidad de energía y son aceleradas a velocidades de la luz. Estas partículas “ultra energéticas” suelen tener unas ciento de millones de veces más energía que las partículas que se producen en el acelerador de partículas más potente construido en la Tierra.
Los rayos cósmicos se suelen clasificar en dos categorías. Primero tenemos los rayos de menor energía de las cuales proceden de lugares cercanos a nosotros (principalmente de nuestra galaxia) e incluso de nuestro Sol. Si! el Sol produce rayos cósmicos pero de una energía mucho menor. Y la segunda categoría son los rayos cósmicos de gran energía, procedentes de colisiones de agujeros negros, colisiones entre galaxias, y otros eventos de gran intensidad.
Como estas extrañas partículas de energía cercanas a 1020 eV son una verdadera rareza (caen apenas unas tres o cuatro por kilómetro cuadrado por siglo), hay dos alternativas para detectarlas: o bien construir un detector pequeño, digamos de un kilómetro cuadrado, y esperar en promedio un siglo entre evento y evento, o construir un detector suficientemente grande como para detectar más partículas en un tiempo menor. Los experimentos que hasta el presente han logrado detectar rayos cósmicos con energías superiores a 1020 eV cubren un área efectiva de no mucho más de 100 kilómetros cuadrados, y por ello son poco los eventos detectados.
Fue alrededor del año 1991 que dos destacados físicos, el premio Nobel Dr. James Watson Cronin y el Dr. Alan Watson de Leeds, comenzaron a concebir el plan de construir un inmenso observatorio, abarcando una superficie de 3000 km2. Podrían así observarse un centenar de rayos cósmicos de la más alta emergía cada año, lo que alcanza para acumular una buena estadística a lo largo de 20 años de operación.
Los rayos cósmicos son detectados indirectamente en la superficie de la Tierra, observando cascadas de partículas secundarias que se producen en el aire. Cuando una partícula cósmica choca con una molécula del aire se produce una cascada de miles de millones de partículas que inciden sobre la superficie de la Tierra. Las características de las cascadas es que permiten obtener información sobre la energía, dirección y composición del rayo cósmico primario.
El Observatorio Pierre Auger son dos observatorios en uno, este diseño experimental se llama hibrido, ya que combina dos técnicas distintas y complementarias. Un sistema de telescopios de fluorescencia, que observan la luz producida por la cascada al atravesar la atmósfera y un arreglo de detectores de superficie que registran la llegada de las partículas secundarias a nivel del suelo. Este sistema se denomina “híbrido”.
Se detectan rayos cósmicos en un rango de energías sorprendentemente grande. Hablar de “rayos cósmicos de la mayor energía” sin agregar “hasta hoy detectados” puede parecer un signo de vanidad de los físicos contemporáneos, ya que el valor de la energía más alta observada ciertamente ha ido en aumento con el tiempo desde que los rayos cósmicos fueron descubiertos en 1912, y bien podría aumentar en el futuro. El nombre utilizado puede justificarse como una abreviación, pero también refleja la sorpresa que representa detectar rayos cósmicos tan veloces, y el misterio que rodea a las potenciales fuentes capaces de producirlos. En todo proceso físico conocido, hay un límite hasta el cual pueden acelerarse las partículas. Los rayos cósmicos hasta ahora no parecen darse por enterados. El actual “record” es de 3,2×1020 eV -electrón voltio- que es más o menos la energía que se transmite a una pelota de fútbol con una buena patada. Los sorprendente es que esta energía esta concentrada en una sola partícula subatómica (la pelota tiene más de 10^26), lo que la convierte en una magnitud fabulosa.
¿Qué es un electrón-voltio? Es la energía que adquiere un electrón cuando es acelerado por una diferencia de potencial de un voltio. Es una energía típica de fenómenos atómicos. Por ejemplo, 13,6 eV alcanzan para desprender al electrón de un átomo de Hidrógeno. Los fotones de luz emitida cuando los electrones de un átomo pasan de un nivel más excitado a otro inferior en un tubo fluorescente tienen una energía de unos pocos eV. En cambio, los fotones de los rayos X tienen una energía del orden de los 1000 eV (kilo-electrón-voltios, o KeV), mientras que un rayo gamma, producto típico de las desintegraciones nucleares, tiene energías cercanas a los millones de eV (mega-electrón-voltios o MeV). El mayor acelerador de partículas elementales, el Tevatrón en el laboratorio Fermi de los EEUU, es capaz de producir protones y antiprotones de una tera-electron-voltio, o sea, un millón de millones de eV. Los rayos cósmicos más veloces tienen cien millones de veces más energía.
La teoría de la relatividad de Einstein permitió entender que la masa de una partícula puede trasformarse en otra forma de energía, por ejemplo radiación electromagnética, y viceversa, respetado la celebre fórmula E=m.c2, donde c es la velocidad de la luz en el vacío (aproximadamente 300.000 kilómetros por segundo, la mayor velocidad posible). Por ejemplo, la masa de u protón en reposo equivale a una energía de 109 eV (mil millones de electrón-voltios). La energía total de una partícula, debida tanto a su masa como a su movimiento, esta dada por la velocidad de la partícula. Si el rayo cósmico de mayor energía que se ha observado es un protón, debe estar moviéndose al 99,999999999999999999999% de la velocidad de la luz, o sea casi a la velocidad de la luz.