miércoles, 20 de abril de 2011

Rayos Cósmicos: un poco de historia

El pasado día 11 de Abril tuve la ocasión de asistir a la conferencia impartida por el profesor James W. Cronin (1931-, Premio nobel de Física 1980 y catedrático de Física de la Universidad de Chicago) sobre la historia del descubrimiento de los rayos cósmicos y el estado actual de la materia.
El área de especialización del profesor Cronin es la física nuclear y a este respecto ha trabajado durante muchos años estudiando los rayos cósmicos ya que estos constituyen un excelente campo de investigación para la física subatómica y de las partículas de alta energía. No obstante, el premio Nobel no lo consiguió por sus estudios de los Rayos Cósmicos, sino como consecuencia de sus descubrimientos en el ámbito de la simetría en partículas subatómicas. Su interés por la física vino a partir de una conferencia de Murray Gell-Mann (1929-, Nobel 1969) sobre el concepto de extrañeza. Cronin fue alumno de este último y de otros destacados físicos como Edward Teller (1908-2003, padre de la bomba H) y el mismísimo Enrico Fermi, uno de los principales contribuidores en el desarrollo de la física de partículas y la mecánica cuántica.
Durante muchos años, la naturaleza de los mal llamados rayos cósmicos fue un misterio. Theodor Wulf (1868-1946) fue uno de los primeros investigadores que estudió la radiaciones con la ayuda de un invento propio denominado electrómetro. Inicialmente pensó que las partículas cargadas que detectó con su instrumento provenían de la tierra, sin embargo, en 1910 subió a lo alto de la torre Eiffel para comprobar su teoría y la sorpresa fue que la radiación arriba detectada era superior. Ello le llevó a pensar que la radiación venía de fuera de la atmósfera, hipótesis que no fue aceptada por la comunidad científica de entonces.
Más tarde, Victor Hess (1883-1964, Premio Nobel 1936), repitió el experimento de Wulf pero esta vez poniendo el instrumento en un globo, confirmando el incremento de la radiación desde un valor de 19.6 pares de iones/cm3s a nivel del suelo hasta 35.2 pares de ones/cm3s a 3.500 m.

Representación aproximada de partículas detectadas vs altura (Hess, 1936-37).

Posteriormente, otro investigador, David Millikan (1868-1953), acuñaría el térmico rayos cósmicos aunque muchos por entonces los denominaban los Millikan Rays. En el año 1933 entraría en debate con otro importante científico, Arthur Comptom (1892-1962), acerca de la naturaleza de los “rayos”. Para el primero, se trataba de fotones de alta energía, para el segundo se trataría de partículas cargadas con masa. Ganaría Compton al demostrarse que los rayos cósmicos se desviaban con los campos magnéticos de la tierra, lo cual demostraba que debería de tratarse de partículas con masa. Compton realizó estudios sobre la distribución geográfica de los rayos constatando una variación con la latitud, siendo su frecuencia menor en el ecuador geográfico.
Walter Bothe (1891-1957, Nobel 1954) y Bruno Rossi (195-1993) realizarían grandes contribuciones al descubrimiento de las características de los rayos cósmicos a través de sus experimentos. Este último descubrió que los rayos cósmicos tenían la capacidad de penetrar incluso a cierta profundidad de la tierra.
Posteriormente Pierre Auger (1899-1993) realizaría nuevas investigaciones, llevando los experimentos a los Alpes donde constató la alta energía de los rayos cósmicos, en el entorno de los 1015 eV, y la existencia del efecto de “lluvias de rayos cósmicos” o cosmic rays or air showers a partir de la coincidencia temporal de muchas partículas; lo cual le indujo a pensar en un origen común del efecto. En aquel momento el reto pasaba de la determinación de la naturaleza de los rayos a la explicación del origen de semejante energía. El mayor detector de rayos cósmicos lleva el nombre de Pierre Auger Observatory en su honor. Auger fue un promotor clave para la posterior creación del CERN, el mayor centro de investigación nuclear europeo.
En la tercera conferencia Rochester sobre física de alta energía en 1952 se presentaron nuevos descubrimientos derivados de la investigación de rayos cósmicos naturales y otros experimentos con aceleradores de partículas ciclotrón creados para el estudio de composición del átomo. Se introdujo el llamado puzle tau-theta, la primera evidencia sobre la violación de la ley de conservación de la paridad de partículas, principio fundamental de la física de partículas que indujo a pensar la existencia de dos partículas diferentes en lugar de una sola. Pero esta propuesta fue entonces la más inaceptable de la física de su tiempo.
Bien podemos decir por tanto que los rayos cósmicos provocaron el inicio de la física subatómica, o al menos provocó un gran avance en ella. Hoy en día se utilizan dos técnicas para la investigación, por un lado la detección de rayos a nivel del suelo y por otro la detección de fluorescencias atmosféricas producidas por las lluvias de partículas o de radiación Čerenkov. Actualmente se han detectado partículas de altísima energía del entorno de 1020 eV.
En la actualidad el observatorio de partículas Auger en la Pampa Argentina ocupa una superficie de 3.000 Km2 con un total de 1.616 estaciones detectoras de rayos cósmicos, siendo el principal observatorios de este tipo de fenómenos en tierra. En las próximas semanas y con la última misión del space shuttle justo antes de su retirada, está previsto el lanzamiento del modulo de observación Alpha Magnetic Spectrometre que irá instalado en la estación espacial ISS. Con él se espera realizar nuevos descubrimientos en el campo de las radiaciones y partículas de alta energía que sirvan para arrojar nueva luz sobre la naturaleza de la materia oscura, la antimateria, posible origen de los rayos cósmicos y otras partículas exóticas.
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Esta reseña está basada en la conferencia del profesor James W. Cronin dentro del ciclo Astrofísica y Cosmología organizado por la fundación BBVA, apuntes del máster de Astronomía y Astrofísica de la Universidad Internacional Valenciana y otras fuentes consultadas.