Su enorme Energía es millones de veces mayor de lo que cualquier acelerador terrestre de partículas puede producir.
.................................................................................................................
Aunque se trata de un hecho perfectamente comprobado, seguramente muchas personas se sorprenderían si supieran que constantemente se encuentran sometidas al bombardeo de partículas de muy alta energía. Concretamente, a nivel del mar, cada una de nuestras manos extendidas de forma horizontal es atravesada por una de estas partículas, en promedio, una vez por segundo. Esta radiación es debida a un fenómeno que fue un enigma durante las primeras décadas del siglo XX y cuyo estudio ha tenido consecuencias de gran trascendencia para la Física. Por un lado dió lugar al descubrimiento de nuevas partículas elementales provocando un cambio radical en nuestra concepción de la estructura microscópica de la materia. Pero además está aportando una valiosísima información acerca de la estructura del Universo.
Al comenzar este siglo ya se conocía la existencia de tres tipos de radiactividad: los rayos alpha, constituidos por núcleos de helio que son frenados en unos pocos centímetros de aire; los rayos beta, que son electrones y tienen mayor poder de penetración y, finalmente, los rayos gamma que, a diferencia de los anteriores, no son desviados por campos eléctricos ni magnéticos y tienen un gran poder de penetración ya que son necesarios centímetros de plomo para reducir apreciablemente su intensidad.
En aquella época, se medía la radiactividad con ayuda de electroscopios que detectaban la ionización que ésta producía en el aire. Era bien sabido que aún alejados de fuentes radiactivas de laboratorio, estos aparatos detectaban una ligera ionización que fue exclusivamente atribuida a las fuentes radiactivas naturales que se encuentran en la superficie terrestre. De ser esto cierto, la señal de fondo debería disminuir al alejarnos de la superficie. Para comprobar esta hipótesis, Victor Hess realizó en 1912 una serie de experimentos transportando una cámara de ionización en un globo con el que ascendió hasta 5000 metros de altura y, sorprendentemente encontró que la señal de fondo aumentaba con la altitud. Una vez descartadas otras posibles explicaciones se llegó a la conclusión de que esta radiación provenía de arriba, es decir, del exterior de la Tierra. Este experimento supuso el nacimiento de la Física de Rayos Cósmicos (Nombre debido a Millikan, 1925).
Durante los siguientes años se trabajó intensamente para averiguar la naturaleza y origen de estos rayos desconocidos. Muchos nombres relevantes de la Física de este siglo participaron en la búsqueda de la explicación de este enigma. Además de los que más adelante se mencionarán en este artículo se pueden citar los de Anderson, Bethe, Bhabha, Blackett, Compton, Euler, Fermi, Heisenberg, Heitler, Landau, Nishina, Ochialini, Perkins, Wilson, etc.. sin olvidarnos del trabajo que el español Arturo Duperier de la Universidad Complutense realizó en el Imperial College en los años cuarenta.
Los primeros experimentos mostraron que esta radiación poseía un extraordinario poder de penetración por lo que algunos supusieron que debían ser rayos gamma aunque mucho más penetrantes que los de origen terrestre. En 1929 el científico ruso Skobeltzyn, empleando una cámara de niebla en la que podía visualizar las trayectorias (trazas) de las partículas cargadas, observó la presencia de partículas de alta energía que identificó como electrones arrancados a la materia por estos rayos gamma cósmicos. Sin embargo, ese mismo año, Bothe y Kolhoerster realizaron un experimento histórico usando dos contadores Geiger (Dispositivo inventado por Geiger y Mueller en 1928 en la Universidad de Kiel para detectar electrónicamente el paso individualizado de partículas cargadas.) entre los que habían interpuesto una gruesa capa de plomo capaz de frenar todos los electrones de alta energía. Empleando por primera vez el método de coincidencias observaron que la radiación cósmica producía simultáneamente señal en ambos detectores.
Descartada la hipótesis de que se trataba de dos electrones arrancados a la materia por un mismo rayo gamma por ser un proceso altamente improbable, quedó demostrado que las partículas que Skobeltzyn había identificado como electrones producidos por la radiación penetrante eran en realidad la propia radiación penetrante de origen cósmico. Se trataba pués de partículas cargadas de diferente naturaleza a todas las conocidas hasta entonces. Experimentos posteriores realizados con cámaras de niebla demostraron la existencia de otros tipos de partículas de muy alta energía en la radiación cósmica entre las que se descubrió el positrón, e+, (el electrón positivo predicho por Dirac). Se acababa de abrir la veda para la caza de nuevas partículas.
En 1938, P. Auger y sus colegas de la Escuela Normal Superior de París observaron coincidencias entre señales producidas en contadores Geiger que se encontraban separados por distancias de hasta 150 metros. Por entonces ya se sabía que cuando un fotón gamma de alta energía atraviesa la materia se puede convertir en un par electrón-positrón. Por otro lado, los electrones de alta energía crean fotones al ser acelerados en el campo eléctrico de los núcleos atómicos. El resultado de la combinación de ambos procesos es lo que se llama una cascada electrón-fotón que consiste en un chaparrón (shower en ingles) de electrones y fotones.
El método de coincidencias es idóneo para la detección de cascadas pués las partículas del chaparrón deben llegar simultáneamente ya que viajan todas a una velocidad igual o casi igual a la de la luz. El experimento de Auger podía, por tanto, ser entendido suponiendo la formación de cascadas iniciadas por rayos gamma, pero para poder explicar su gran extensión era necesario admitir que éstas se habían producido a gran altitud en la atmósfera. Desde entonces a estas cascadas se las conoce como Extensive Atmospheric Showers (cascadas atmosféricas extensas).
Lo más impresionante fue que los cálculos predecían que algunas de ellas debían de haber sido producidas por rayos gamma de 1015 eV (1 TeV) de energía. Para comprender el asombro que este resultado produjo en la comunidad científica basta comparar esta energía con la asociada a otros procesos microscópicos. Por ejemplo, las energías típicas de los electrones en los átomos varían entre 1 y 103 eV (1 keV) y la de las radiaciones asociadas a los fenómenos nucleares son del orden de 106 eV (1 MeV).
Sin embargo, la formación de cascadas electrón-fotón no permitía explicar la existencia de la radiación corpuscular extraordinariamente penetrante que se observaba en la superficie terrestre. La solución final al problema vino de la mano de un descubrimiento que fue de vital trascendencia para el desarrollo de la física nuclear. Al final de los años 30 se buscaba con gran interés una partícula que había sido predicha por Yukawa para explicar la interacción nuclear y que debía tener una masa aproximadamente 200 veces la del electrón. Fue entonces bautizada con el nombre de mesotrón o mesón.
El análisis de trazas de rayos cósmicos en cámaras de niebla mostró evidencias de la existencia de una partícula cargada con esta masa. Aunque más tarde se comprobaría que las partículas observadas no eran las buscadas, estos indicios aumentaron el interés en su búsqueda. En los años 40 se desarrollaron las emulsiones nucleares, similares a las placas fotográficas, pero sensibles a las partículas ionizantes. Estas emulsiones presentan frente a la cámara de niebla gaseosa la ventaja de ser un medio mucho más denso y por tanto, la probabilidad de observar interacciones es mucho mayor. En 1947 se demostró empleando esta técnica que existían dos tipos de mesones. Uno que se frenaba rápidamente y que se desintegraba convirtiéndose en otro de masa ligeramente menor pero de mucho mayor poder de penetración. El primero al que se le denominó meson-pi (actualmente pión) es sensible a la interacción nuclear y es la partícula de Yukawa. El segundo, que fue llamado meson-mu tiene una naturaleza similar a la del electrón, constituye la parte más penetrante de la radiación cósmica y actualmente se le conoce como muón. En los siguientes años se descubrieron muchas otras partículas nuevas entre los rayos cósmicos empleando la técnica de las emulsiones.
El descubrimiento del muón y del pión y el consiguiente avance en el entendimiento de las interacciones nucleares permitió ajustar las piezas del rompecabezas. La radiación observada en la superficie terrestre es debida al constante bombardeo de núcleos atómicos desnudos (sin electrones) a que se encuentra sometida la Tierra. Al penetrar en la atmósfera, cada uno de estosrayos cósmicos primarios produce una cascada hasta cierto punto similar a las de electrones y fotones pero en la que, debido a la distinta naturaleza de los procesos que tienen lugar, se crean una gran variedad de partículas elementales (figura 1).
La cascada se inicia cuando el núcleo primario colisiona con un núcleo atmosférico (Nitrógeno u Oxígeno) produciendo una reacción nuclear en la que parte de la energía se transforma en materia, creándose nuevas partículas, sobre todo piones. El núcleo incidente o los fragmentos resultantes después de esta colisión siguen viajando a gran velocidad en dirección al suelo hasta que de nuevo tiene lugar otra reacción nuclear en la que se producen más partículas y así sucesivamente. En ocasiones algunos fragmentos nucleares alcanzan la superficie terrestre.
Los piones neutros pio creados se desintegran casi instantáneamente, convirtiéndose en dos rayos gamma. Los piones cargados pi+ pi- pueden colisionar con otro núcleo atmosférico produciendo nuevas partículas o desintegrarse en un muón y un neutrino. El muón posee una vida media de 2 millonésimas de segundo (2 micros) tras lo cual se desintegra convirtiéndose en un electrón y dos neutrinos. Al ser la vida del muón tan corta podría pensarse que ninguno puede llegar vivo al nivel del suelo. Sin embargo, debido a su alta velocidad (muy próxima a la de la luz) se ven afectados por la dilatación relativista del tiempo y en nuestro sistema de referencia su vida media es mucho mayor. De hecho, en casi todas las cascadas iniciadas por rayos cósmicos, una parte importante de los muones logran alcanzar la superficie terrestre.
Son tan penetrantes que muchos de ellos alcanzan profundidades de cientos de metros bajo tierra, pero, al ser partículas cargadas dejan un rastro de ionización fácilmente detectable. Por este motivo fueron las primeras partículas secundarias detectadas. Por otro lado, los neutrinos que se crean en la desintegración de los piones y de los muones, a pesar de ser muy numerosos, poseen una probabilidad de interacción con la materia extremadamente pequeña por lo que pasaron desapercibidos en los experimentos pioneros. Su poder de penetración es tan grande que pueden atravesar completamente la Tierra.
Como hemos visto, la desintegración de los pio da lugar a la creación de fotones cada uno de los cuales produce a su vez una cascada electrón-fotón. La suma de todas ellas da lugar a la llamada componente electromagnética de la cascada que consiste en un disco de fotones gamma, electrones y positrones que se mueve a la velocidad de la luz teniendo como eje la dirección del rayo cósmico primario (figura 2). A medida que la cascada se acerca al suelo, es decir profundiza en la atmósfera, este disco aumenta su radio debido a las colisiones elásticas de los electrones con los núcleos atmosféricos.
Por otro lado, el número de partículas en el disco inicialmente crece hasta llegar a una profundidad en la que alcanza el máximo desarrollo a partir de la cual las partículas son absorbidas en la atmósfera. Por ejemplo, un protón (núcleo de H) primario de 1015 eV produce una nube de partículas que alcanza su plenitud a unos 6000 metros sobre el nivel del mar con aproximadamente un millón de partículas (gamma, e), un tercio de las cuales pueden alcanzar el nivel del mar ocupando una extensión de unos cien metros.
El Origen de los Rayos Cósmicos Ultra-energéticos.
Nadie sabe cuáles son las fuentes de los rayos cósmicos ultra-energéticos. La mayoría de las partículas de rayos cósmicos de baja energía que llegan a la Tierra provienen de algún sitio dentro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Éstos se cree que provienen de la explosión de estrellas llamadas supernovas. Sin embargo, la mayoría de las partículas de rayos cósmicos ultra-energéticos probablemente provengan de fuentes fuera de la Vía Láctea, pero ¿de dónde?
No conocemos ninguna fuente en el Cosmos que pueda producir partículas con estas energías, ni siquiera en las más violentas explosiones de estrellas.
De donde provengan, las partículas de alta energía mantienen secretos respecto de la evolución y posiblemente el origen del universo, debido al enigma de su enorme energía millones de veces mayores de lo que cualquier acelerador terrestre de partículas puede producir. Algunas teorías, sin embargo, apunta a la existencias de agujeros negros que expide con una fuerza impresionante fotones de esta energía.