Volumen 5 - Nº35 - 1996 |
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Revista de Divulgación Científica y
Tecnológica de la |
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ARTICULO El Proyecto Pierre Auger |
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El físico francés Pierre Auger, descubridor de los chubascos de radiación cósmica, cuyo nombre lleva el experimento que explica esta nota. |
Victor Franz Hess, descubridor de los rayos cósmicos, en un globo aerostático usado para mediciones de altura. |
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En abril de 1962, un detector de radiación cósmica ubicado en Volcano Ranch, Nuevo México, registró un hecho extraordinario: una lluvia o chubasco de particulas subatómicas, originado por un rayo cósmico primario, cuya energía superaba ampliamente a la de los más energéticos registrados hasta entonces. El descubrimiento se publicó luego de un largo y cuidadoso análisis de los datos. Han pasado más de treinta años y varios laboratorios instalados desde entonces (Haverah Park en Inglaterra, Yakutsk en Rusia, Agasa en Japón y Dugway en los EE.UU.) confirmaron la aparición ocasional de estas partículas, cuya altísima energía alcanza los 1020 eV (electrón-voltios), comparable con la que lleva una pelota de tenis en un saque, pero concentrada en una masa veinticuatro órdenes de magnitud menor (la relación entre la masa de la partícula cósmica y la de la pelota de tenis sería semejante a la que hay entre una gota y mil veces toda el agua de los océanos de la Tierra). La decena de sucesos (en jerga suelen denominarse eventos) que sirvió para confirmar el detectado en Volcano Ranch permitió estimar que, en cada siglo, sólo llega una de esas partículas a cada km2 de la superficie de la Tierra. Aun con instalaciones de detección que cubrieran superficies del orden del centenar de km2, se necesitaría esperar decenas de años entre un suceso y el siguiente. En tal marco, el mundo científico está tratando de entender el mecanismo por el cual, en algún lugar del universo, pudo haberse conformado un 'acelerador cósmico' capaz de impartir energías de esa magnitud a una partícula subatómica. Tal es la misión del proyecto Pierre Auger, así llamado en honor del físico francés que, en 1938, descubrió los chubascos cósmicos, esa lluvia de un gran número de partículas cósmicas. La comprensión del proceso podría abrirnos las puertas de una nueva física. El conocimiento de la radiación cósmica data de comienzos de este siglo, cuando los científicos notaron que los instrumentos denominados electroscopios, capaces de medir carga eléctrica, se descargaban espontáneamente en breve tiempo. Estos dispositivos consisten en una placa cargada inmersa en un ambiente gaseoso perfectamente aislante. La única manera de explicar la descarga fue aceptar que, con el tiempo, el gas aislador se convertía en conductor de electricidad. Hacia 1910, el físico estadounidense de origen austriaco Víctor Franz Hess, que ganó el Nobel en 1936, y sus colaboradores, explicaron aquel hecho experimental mediante la idea de que existe una radiación muy penetrante, de origen cósmico, que incide sobre nuestro medio. Los mencionados investigadores la estudiaron con enorme inventiva y lograron determinar, en pocos años, muchas de sus propiedades. Su descubrimiento dio origen a una prolífica rama de la física que absorbió la atención de los estudiosos de las partículas elementales. Se descubrió que la radiación cósmica Consiste tanto en partículas cargadas -electrones, protones o núcleos de átomos más pesados- como neutras -fotones, neutrones y neutrinos-, que inciden permanentemente sobre el planeta; algunas provienen del Sol, pero muchas se originan fuera del sistema solar y una fracción importante procede de más allá de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Al llegar a la atmósfera terrestre, esos rayos cósmicos interactúan con los átomos de nitrógeno y oxígeno de esta, mediante procesos que han sido estudiados en laboratorios utilizando aceleradores de partículas. La radiación choca con los gases de la atmósfera y produce liberación de electrones, excitación de átomos y formación de nuevas partículas, que, a su vez, decaen o chocan con otras. Tiene así lugar una variedad muy grande de reacciones nucleares y subnucleares, de las cuales resultan muchas nuevas partículas que transportan la energía remanente, interactúan con otros átomos del gas atmosférico y dan lugar a una multiplicación del número de partículas. La energía de las partículas originales se emplea en crear muchas nuevas (recuérdese la equivalencia entre masa y energía, E=mc2) y en imprimirles elevada velocidad. Los chubascos resultantes pueden ser muy intensos (con más de 1011 nuevas partículas) y, si bien se dispersan por el espacio, tienden a conservar la dirección de la partícula que los desencadenó. Debido a las leyes de conservación de la energía y del impulso lineal (el producto de la masa por la velocidad de la partícula incidente), las partículas secundarías se mueven dentro de un cono cuyo eje corre en la dirección de incidencia. Un proceso similar se observa en una mesa de pool al iniciarse el juego: la bola que lanza el primer jugador choca con las que se encuentran en reposo y las impulsa hacia adelante. También el proceso de cascada tiene cierta similitud, ya que la bola propulsada por el jugador sólo transmite energía a aquellas con las que choca, las que, a su vez, sufren colisiones secundarias y originan un 'chubasco' de bolas de billar. En el caso cósmico la situación es un poco más compleja, por un efecto que está ausente en el billar: la creación y aniquilación de partículas. El efecto de conservación del impulso lineal resulta muy útil para estudiar la radiación cósmica, porque, una vez determinada la dirección general de las partículas, inferimos la que traía la 'bola de billar': el rayo cósmico primario de energía ultraelevada que originó el chubasco. La atmósfera terrestre actúa como detector de radiación cósmica de muy alta energía y el resultado final de cada proceso de detección es un rápido y violento chubasco de electrones, rayos gamma, muones, neutrones y neutrinos, que se propaga por el aire siguiendo la dirección general del rayo primario. Sólo los rayos cósmicos de alta energía logran formar chubascos de tal magnitud que se advierten directamente en la superficie de la Tierra mediante detectores de radiación de diversos tipos. Los chubascos que tienen su origen en radiación de menor energía se extinguen en la atmósfera, a diferentes alturas. Desde el suceso de Volcano Ranch, se han registrado otros ocho rayos cósmicos de muy alta energía, a propósito de los cuales los científicos se formulan tres preguntas: ¿de dónde vienen y cómo se propagan?, ¿cómo resultan aceleradas las partículas? y, en definitiva, ¿qué son? Sea cual fuere el lugar del que provengan, este debe encontrarse relativamente cercano a nosotros en términos cósmicos -es decir, a distancia menor que unos 300 millones de años luz (2,84x1021km)-, porque una partícula cuya energía supere los 4x1019eV se frenaría rápidamente por efecto de su interacción con la radiación de fondo de 2,7K (grados Kelvin), que se encuentra distribuida en todo el universo como remanente del Big Bang. Por ello resultó una gran sorpresa registrar sucesos en los que se midieron energías superiores a dicho valor, considerado de corte. pues se creía que, aunque pudiese haber fuentes capaces de producir tal energía, estarían demasiado lejos de la Tierra y las partículas llegarían con energía reducida. El mencionado valor de corte es la energía con la que terminaría asintóticamente una partícula, independientemente de la que tuviera inicialmente, si hiciera un recorrido suficientemente largo (Fig. 1). |
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| Fig 1. Valor asintótico o de corte de la energía de protones. Un protón con una energía mayor que 4x1010eV la perdería hasta llegar a ese valor si recorriera el cosmos. Otras partículas más pesadas, por ejemplo los núcleos de hierro, tienen similar comportamiento. |
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