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Tapa

El origen y fin de los rayos cósmicos

Nuevos estudios amplían el conocimiento sobre el posible origen de esas partículas subatómicas que se aceleran hasta alcanzar una velocidad muy cercana a la de la luz, atraviesan el espacio intergaláctico y se desintegran al llegar a la Tierra, al chocar con otras partículas

DRüMLa formación y el comportamiento de los rayos cósmicos –partículas que llegan a la Tierra a una velocidad muy próxima a la de la luz y chocan con las moléculas de nitrógeno y oxígeno de la atmósfera terrestre, originando billones de nuevas partículas– se detallan minuciosamente en dos estudios recientes. Uno de estos trabajos, llevados a cabo por investigadores de la Universidad de São Paulo (USP) y de Estados Unidos, indicó que los rayos cósmicos podrían formarse como consecuencia del encuentro y la aniquilación de campos magnéticos con polaridades opuestas en atmósferas de estrellas y objetos cósmicos compactos, tales como agujeros negros de masa estelar o núcleos activos de galaxias. Según los científicos responsables del estudio, este mecanismo ofrece una alternativa al modelo aceptado de formación de los rayos cósmicos y podría explicar los orígenes extragalácticos –aún inciertos– de aquéllos con energías mayores.

El otro estudio –realizado por el equipo del Observatorio Pierre Auger, con la participación de físicos de las universidades de São Paulo, Río de Janeiro y Bahía– analiza las colisiones de rayos cósmicos de alta energía con los núcleos de los átomos de la atmósfera y presenta un área de interacción de los rayos cósmicos con energía de 1018 a 1018,5 eV (electronvoltios) con los núcleos de los átomos de la atmósfera. En esos niveles de energía, la interacción de esas partículas –o sección de choque– corresponde a 5,05 x 10-29 metros cuadrados (el número cero seguido por la coma y por 28 ceros antes del número 505). “Ningún otro experimento había calculado esa medida de la sección de choque protón-aire o de la sección de choque protón-protón en esas altísimas energías”, dice Carola Dobrigkeit Chinellato, investigadora del Instituto de Física de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) y coordinadora del equipo paulista en el Observatorio Pierre Auger.

El Observatorio Pierre Auger, que se construyó entre los años 2000 y 2008 al pie de los Andes, en una planicie semidesértica de los alrededores de Malargüe, al sur de la ciudad de Mendoza, en Argentina, es el resultado de una cooperación internacional que congrega actualmente a 500 físicos de 18 países. Se trata del mayor observatorio de rayos cósmicos en funcionamiento, con 1.660 detectores de superficie, formados por tanques cilíndricos instrumentados, de 3,7 metros de diámetro por 1,2 metros de altura, cada uno situado a una distancia de 1,5 kilómetros del otro, formando una malla triangular. Diseminados sobre una superficie de 3.300 kilómetros cuadrados –el doble de la que ocupa la ciudad de São Paulo–, los detectores de superficie funcionan de manera integrada con los 27 telescopios de fluorescencia, los denominados ojos de mosca, capaces de registrar la tenue luz emitida por las moléculas de nitrógeno en la alta atmósfera cuando son excitadas por la lluvia de partículas provocada por el rayo cósmico que llegó a la Tierra. Los lectores de esta revista siguieron la construcción del Observatorio Pierre Auger, desde los entretelones de las negociaciones, presentados en agosto del año 2000 como tema de tapa de Pesquisa FAPESP.

020_Raios cosmicos_200-1NasaLos rayos cósmicos fueron descubiertos hace 100 años por el físico austríaco Victor Hess, ganador del Premio Nobel en 1936. Ahora, con esos dos estudios recientes, el comportamiento de estas partículas se torna menos incierto, aunque su composición continúe siendo dudosa: hay señales de que los rayos cósmicos en el rango de energía hasta 1018,5 eV serían protones, mientras que los de mayor energía tal vez sean núcleos de elementos químicos pesados, tales como hierro.

Campos magnéticos
En la Vía Láctea, las explosiones conocidas como supernovas, que marcan el fin de estrellas masivas, liberan una cantidad de energía suficiente como para explicar la formación de los rayos cósmicos de baja y alta energía, mientras que los de energías más altas, según se creía, podrían emanar de objetos más distantes, tales como los núcleos activos de galaxias, explica Elisabete de Gouveia Dal Pino, del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG) de la USP. Según su opinión, los protones que forman el gas del medio interestelar podrían acelerarse a velocidades cercanas a la de la luz, alcanzando el estatus de rayos cósmicos, al colisionar con las denominadas ondas de choque, que surgen en las explosiones de supernovas y causan variaciones abruptas de velocidad, presión y temperatura en las regiones vecinas, tales como las ocasionadas por el paso de un avión a chorro o por la explosión de una bomba atómica.

020_Raios cosmicos_200-2_novoCERNLos físicos suponen que otra fuente de rayos cósmicos puede estar en las ondas de choque que se originan debido al impacto de los extremos de los ejes de materia con el ambiente, denominados chorros, emitidos por los núcleos de galaxias activas. El problema reside en que los extremos de los chorros de los núcleos activos de galaxias pueden resultar insuficientes para generar las partículas con energía superior a 1018 eV. “Los rayos cósmicos deben ser capaces de escapar del confinamiento generado por los campos magnéticos sin perder demasiada energía debido a la interacción con los fotones del medio donde se generaron”, dice Dal Pino. “Otro inconveniente, descubierto en observaciones más recientes de radiación gamma emitida por núcleos activos de galaxias, se centra en que los rayos cósmicos responsables de esa emisión se producen en regiones ultracompactas donde los choques, aparentemente, son inexistentes”.

Gouveia Dal Pino y Alexander Lazarian, de la Universidad de Wisconsin, en Estados Unidos, investigaron otros mecanismos de formación de rayos cósmicos con altísima energía y, en 2005, presentaron una proposición teórica que ampliaba sus posibles fuentes. Ahora, por medio de las denominadas simulaciones numéricas magnetohidrodinámicas, presentadas el mes de junio de este año en la revista Physical Review Letters, Grzegorz Kowal, un astrofísico polaco que trabaja en el IAG desde 2009, Dal Pino y Lazarian confirmaron las hipótesis del artículo de 2005 y demostraron que los rayos cósmicos podrían originarse en las atmósferas magnetizadas, también denominadas coronas, que rodean a los agujeros negros y sus discos de acreción.

“La idea es sencilla”, asegura Dal Pino. “Como resultante del encuentro rápido entre líneas de campo magnético con polaridades opuestas, la energía magnética liberada es capaz de acelerar partículas inicialmente con baja energía a velocidades relativísticas. El proceso es muy similar a lo que ocurre con las partículas térmicas en las ondas de choque. Cuando quedan presas entre dos líneas de campo magnético con polaridades opuestas, ellas chocan varias veces con fluctuaciones magnéticas, adquiriendo progresivamente energía a partir de esas colisiones hasta adquirir velocidades cercanas a la de la luz y finalmente escapan de esa región de aceleraciones transformadas en rayos cósmicos”.

Esta proposición, dice ella, se inspiró en la profusa actividad magnética del Sol. A menudo emergen de la superficie del Sol tubos curvos de líneas de campo magnético, los loops, con una extensión aproximada de 10 mil kilómetros, la denominada corona solar. Los loops pueden presentar polaridad positiva o negativa, tal como las líneas magnéticas de la Tierra. Cuando colisionan, los loops de polaridad opuesta liberan energía, producen calor y aceleran los protones que se encuentren en el entorno, convirtiéndolos en rayos cósmicos. Según Dal Pino, este proceso puede originar buena parte de los rayos cósmicos de baja energía, de hasta 1010 eV, que llegan a la Tierra.

Gouveia Dal Pino, Lazarian y Kowal determinaron que los campos magnéticos con polaridades opuestas, cuando quedan envueltos en movimientos discontinuos denominados turbulencias, pueden encontrarse y aniquilarse rápidamente, promoviendo una aceleración de los protones cercanos de baja energía que los transforma en rayos cósmicos, proceso que también ocurre en las coronas de gas magnetizado cercanas a agujeros negros o estrellas, o, de modo general, “en regiones compactas altamente magnetizadas”, dice ella. De acuerdo con este estudio, en esas regiones, que pueden tener centenares de miles de kilómetros de extensión, los protones pueden amplificar su energía 10 millones de veces en alrededor de mil horas (41 días), a medida que chocan con los campos magnéticos.

Los investigadores descubrieron otra posibilidad, que amplía todavía más los posibles nidos de rayos cósmicos. Según ese estudio, aunque con menor ganancia de energía, los rayos cósmicos también podrían originarse en el gas interestelar o en el medio intergaláctico, que son turbulentos y magnetizados. Según Dal Pino, bajo el efecto de la turbulencia, las regiones magnetizadas del gas podrían encontrarse y destruirse, transfiriéndoles la energía a las partículas cercanas. La siguiente etapa del trabajo consiste en combinar estos resultados con mecanismos físicos de pérdidas energéticas de los rayos cósmicos y analizar observaciones de telescopios que puedan confirmar o corregir esas hipótesis.

“Necesitamos saber cuál es el mecanismo dominante en la formación de los rayos cósmicos ultraenergéticos”, dice ella. Hasta ahora, las fuentes de las partículas más energéticas se limitaban a las ondas de choque en los chorros de galaxias activas. Mientras que las ondas de choque provenientes de explosiones de supernovas parecen ser el principal mecanismo de producción de los rayos cósmicos en nuestra galaxia con energías de hasta 1016 – 1017 eV, y el Sol aparece como una de las principales fuentes de energía más baja (109 – 1010 eV), ella afirma que “las fuentes de los rayos cósmicos de más alta energía siguen siendo un misterio y el mecanismo de reconexión magnética surge como una nueva y atrayente posibilidad”.

Otros encuentros
El otro estudio también aborda las colisiones de rayos cósmicos a altísimas energías, examinadas por medio del Observatorio Pierre Auger en Argentina. Cuando un rayo cósmico de altísima energía ingresa en la atmósfera y colisiona con sus partículas, se generan nuevas partículas. Éstas, a su vez, continuarán propagándose por la atmósfera y también podrán sufrir nuevas colisiones produciendo nuevas partículas.

Esa cascada prosigue mientras la lluvia de partículas cuenta con energía suficiente como para producir otras. “Cuando las partículas ya no tienen la energía suficiente, la cantidad de partículas de la lluvia habrá alcanzado su apogeo y, a partir de allí, tan sólo podrá disminuir”, dice Carola Chinellato, de la Unicamp. Según ella, la energía del rayo cósmico original se repartirá entre ese enorme número de partículas producidas; por lo tanto, si finalmente se produjeran 1 billón de partículas, la energía de cada una de ellas será aproximadamente de 1 billonésima de la energía del rayo cósmico original.

NASACasiopea, remanente de una supernova: actualmente, la aceleración de los protones probablemente sea el resultado de la onda de choque formada por los movimientos de la capa externa de gasNASA

Recientes mediciones realizadas en el Observatorio Pierre Auger posibilitaron, por primera vez, detallar las interacciones entre partículas en una energía aún no alcanzada en los aceleradores de partículas. En un trabajo publicado en agosto en la revista Physical Review Letters, un equipo del observatorio analizó colisiones de 11.628 rayos cósmicos con energías ubicadas entre 1018 y 10 18,5 eV con los núcleos de nitrógeno u oxígeno de la atmósfera, que se registraron entre diciembre de 2004 y septiembre de 2010. Según Chinellato, resultados previos en el Observatorio Pierre Auger ya habían señalado que, en ese rango de energía, las partículas cósmicas que alcanzan la Tierra serían protones.

Al analizar las alturas en que las lluvias de partículas más penetrantes en la atmósfera surgen con mayor cantidad de las mismas, los investigadores determinan la sección de choque inelástica –una dimensión física fundamental que mide la probabilidad de interacción de una partícula con otra– en las colisiones de protones con núcleos de aire. En el caso de un protón topándose con los núcleos de aire, esta superficie de interacción es de 5,05 x 10-29 metros cuadrados. “Cuanto mayor es la sección de choque, mayor es la probabilidad de que ocurra una colisión”, dice. En realidad, las cosas no son tan sencillas en el mundo de las partículas. “Para interactuar, las partículas no necesitan tocarse”.

“No existe contacto entre las partículas”, advierte Marcio Menon, también investigador de la Unicamp. Los físicos creen que, probablemente, son componentes de los protones denominados gluones los que saltan hacia otras partículas, transfiriendo información sobre velocidad y modificando el comportamiento de éstas. Menon utilizó los valores obtenidos por el equipo del Observatorio Pierre Auger para comparar con valores medidos en otros experimentos y plantear correcciones en las fórmulas matemáticas que rigen la variación de la sección de choque entre partículas elementales.

La medida de la sección de choque de las colisiones entre protones y los núcleos de la atmósfera obtenida por los telescopios del Observatorio Pierre Auger también contribuye a estimar el comportamiento de los encuentros entre protones inducidos en los túneles del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, según su sigla en inglés), emplazado cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza. El observatorio con sede en Argentina y el LHC se construyeron para ampliar, cada uno a su manera, el conocimiento sobre las propiedades de las partículas elementales. El equipo del Observatorio Pierre Auger trabaja con colisiones naturales de partículas con energías 1 millón de veces mayores que las mayores energías logradas hasta ahora en el LHC, pero los rayos cósmicos chocan con otras, las del aire, prácticamente estáticas, mientras que en los túneles del LHC son dos haces de protones bastante acelerados que se topan en colisiones frontales. Según Chinellato, en ese rango de energía, la energía total de la colisión de un protón de los rayos cósmicos con un núcleo del aire es tan sólo ocho veces mayor que el de una colisión entre dos protones en el LHC.

Colisiones de protones
A partir del resultado de la medida de la sección de choque inelástica protón-aire, los investigadores del Observatorio Pierre Auger calcularon la sección de choque total en colisiones protón-protón y arribaron a la conclusión de que la superficie de interacción entre partículas sigue aumentando con la energía. Chinellato sostiene que ese aumento ya se había observado para el caso de energías menores hace 40 años, también en el Centro Europeo de Energía Nuclear (Cern), y de manera más indirecta en experimentos que involucraban rayos cósmicos. “Sorprendentemente”, dice, “el resultado observado indicaba que el protón se hacía mayor y más opaco a medida que su energía aumentaba”.

Actualmente, el LHC, que opera en el Cern, constituye una nueva oportunidad para continuar estudiando el comportamiento de la sección de choque protón-protón en experimentos realizados con aceleradores, ahora con energías más altas, del orden de 7 x 1012 eV, casi 100 veces por encima de las energías alcanzadas hace 40 años. Los primeros resultados obtenidos en 2011 mediante el experimento Totem, en el Cern, que también involucran colisiones protón-protón, confirmaron que el protón sigue volviéndose mayor con el incremento de energía, y, por consiguiente, que la sección de choque total sigue aumentando. Según Chinellato, los investigadores del experimento Totem midieron la sección de choque en colisiones elásticas protón-protón y, con base en ello, estimaron la sección de choque total protón-protón aplicando un modelo teórico. El valor que se publicó es de 9,83 x 10-30 metros cuadrados para una energía total de colisión de 7 x 1012 eV, que ella compara con el valor de la sección de choque total en la colisión protón-protón a la que arribaron los investigadores del Observatorio Pierre Auger, de 1,33 x 10-29 metros cuadrados, para energías aún más altas, correspondientes a 5,7 x 1013 eV. “El protón sigue volviéndose mayor y más opaco con esas energías”, comenta.

“En esencia”, dice, “lo que estamos estudiando en el LHC y en el Auger es algo muy similar a lo que Rutherford estudiaba a comienzos del siglo pasado”. En 1911, en Inglaterra, el físico Ernest Rutherford realizó una serie de experimentos, disparando partículas alfa, con carga positiva, contra una lámina de oro, determinando que el átomo estaba formado por un núcleo minúsculo rodeado por una región mucho más extensa donde circulan los electrones. “La diferencia reside en que la escala de energía es mucho más alta y los experimentos son mucho más interesantes y complicados. Y resulta fantástico que el Observatorio Pierre Auger logre medir una dimensión tan elemental partiendo de la observación de lluvias de partículas en la atmósfera”.

Proyectos
1. Investigación de fenómenos de altas energías y plasmas astrofísicos: teoría, observación y simulaciones numéricas (nº 06/50654-3); Modalidad Proyecto Temático; Coordinadora Elisabete Maria de Gouveia Dal Pino – IAG/USP; Inversión R$ 366.429,60 (FAPESP).
2. Reconexión magnética y aceleración de partículas en fuentes astrofísicas y medios difusos (nº 09/50053-8); Modalidad Beca de posdoctorado; Coordinadora Elisabete Maria de Gouveia Dal Pino – IAG/USP; Becario Grzegorz Kowal – IAG/USP; Inversión R$ 241.582,45 (FAPESP).
3. Estudio de los rayos cósmicos de energías mayores en el Observatorio Pierre Auger (nº 10/07359-6); Modalidad Proyecto Temático; Coordinadora Carola Dobrigkeit Chinellato – IFGW/Unicamp; Inversión R$ 3.182.417,76 (FAPESP)

Artículos científicos
DE GOUVEIA DAL PINO, E.M. y LAZARIAN, A. Production of the large scale superluminal ejections of the microquasar GRS 1915+105 by violent magnetic reconnection. Astronomy & Astrophysics. v. 441, p. 845-53. 2005.
KOWAL, G. et al.  Particle acceleration in turbulence
and weakly stochastic reconnection. Physical Review Letters. v. 108, n. 24, p. 241.102. 2012.
ABREU, P. et al.  Measurement of the Proton-Air Cross Section at √s = 57 TeV with the Pierre Auger Observatory. Physical Review Letters. v. 109, n. 6, p. 062002. 2012.

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