RAYOS COSMICOS: Detectando las partículas más energéticas del

Rayos Cósmicos: Detectando las partículas más energéticas del Universo
Luis Manuel Villaseñor Cendejas*
Aunque no 1o percibimos, nuestros cuerpos están siendo constantemente irradiados por
partículas subatómicas. Estas partículas, llamadas rayos cósmicos, se producen en la
atmósfera terrestre como resultado del choque de partículas de alta energía que llegan a la
tierra del espacio exterior con los núcleos de los átomos que componen la atmósfera. El
descubrimiento de esta radiación se inició a principios del siglo pasado, en ese tiempo se
creía que esta radiación provenía de la desintegración de elementos radiactivos del
subsuelo, sin embargo, a partir de 1911 algunos físicos empezaron a medir el grado de
ionización del aire causado por estas partículas a diferentes alturas sobre el nivel del mar
mediante ascensiones en globo. Para su sorpresa, el nivel de ionización aumentaba a partir
de 700 m de altura en lugar de disminuir como se esperaría si su origen estuviera en el
subsuelo. Desde su descubrimiento, la investigación sobre la identidad, propiedades y
origen de 1os rayos cósmicos ha sido intensa y a la vez fructífera.
En la actualidad sabemos que 1os rayos cósmicos que llegan a la atmósfera se componen de
80% de protones, 12% de núcleos de helio, llamados también partículas alfa, 1% de núcleos
más pesado y 2% de electrones. Estas partículas llegan constantemente a la tierra
provenientes del espacio exterior en forma imperceptible para el ojo humano. Las de más
bajas energías provienen del sol y de otras estrellas cercanas. Algunas más energéticas
pueden provenir del centro de la galaxia, de explosiones de estrellas o de otros efectos
violentos en la galaxia. Es muy probable que las de mayor energía sean producidas en
cataclismos astrofísicos de origen extragaláctico. La cantidad de partículas que llegan a la
tierra por segundo disminuye rápidamente a medida que aumenta su energía. Desde flujos
de centenas de partículas por metro cuadrado por segundo para bajas energías hasta flujos
de una partícula por kilómetro cuadrado por siglo para las energías más altas, los llamados
rayos cósmicos ultra energéticos. El rayo cósmico de mayor energía detectado hasta ahora
ocurrió en el Observatorio Fly´s Eye (Ojo de Mosca) en 1991; este observatorio está
situado en el estado de Utah en Estados Unidos y el rayo cósmico en cuestión tenía una
energía de 50 julios; esta es la energía típica que posee una pelota de tenis en movimiento
pero resulta sorprendente que una partícula microscópica, como pudiera haber sido un
protón, posea esa energía tan alta.
Las partículas que llegan a suelo como resultado de la interacción de los rayos cósmicos
con la atmósfera terrestre, llamados rayos cósmicos secundarios, se componen
predominantemente de muones; estas partículas subatómicas son similares a los electrones
excepto que son 210 veces más pesadas y que sólo viven en promedio 2 microsegundos.
Los muones a su vez provienen de la desintegraci6n de otras partículas subatómicas
llamadas mesones pi y mesones K. Los muones son muy interesantes ya que se producen
en la cima de la atmósfera a 40 Km. de altura y a pesar de tener una vida tan corta alcanzan
a llegar al suelo; esto constituye una prueba cotidiana del efecto de dilatación del tiempo
predicho por Albert Einstein en su teoría de la relatividad especial en 1905. Como
aplicaciones interesantes y que reflejan la creatividad de los científicos, estos muones se
han usado para hacer radiografías de las pirámides de Egipto. El objetivo en ese caso era la
búsqueda de cámaras ocultas que pudieran haber pasado desapercibidas anteriormente. Esta
aplicación se basa en la propiedad que tienen de los muones de alta energía de penetrar
grandes cantidades de materia só1ida. El resultado de este trabajo, sin embargo, concluyó
que no hay cámaras ocultas adicionales a las descubiertas anteriormente por los
arqueólogos; este mismo método se podría aplicar a las pirámides de México.
Dado que nuestros cuerpos están siendo constantemente irradiados por rayos cósmicos,
cabe preguntarse acerca del efecto que esta radiación tiene sobre nuestra salud. Al respecto
se sabe que los seres vivos son muy sensibles a las radiaciones ionizantes, las cuales pueden
dar lugar a mutaciones genéticas y cánceres; esto se observó claramente en las víctimas de
las masacres de Hiroshima y Nagasaki y posteriormente ha sido corroborado en accidentes
nucleares como el de Chernobyl en 1986. En efecto, la exposición a los rayos cósmicos es
un riesgo que el ser humano y todos los demás organismos vivientes del planeta
enfrentamos cotidianamente sin poderlo evitar. La radiación que típicamente recibimos de
los rayos cósmicos es, sin embargo, menor que la de otras fuentes naturales de radiación.
La cantidad de radiación natural a la que estamos expuestos depende de la zona en que
habitamos, su valor promedio es de alrededor de 400 milirems por año, de los cuales
aproximadamente la mitad provienen de la inhalación de gases naturalmente radiactivos
como el radón y sus derivados que pueden salir del subsuelo. Estas cantidades se deben
comparar con el máximo recomendado de exposición laboral que es de 1500 milirems por
año. Por este motivo es importante limitar al mínimo la irradiación mediante fuentes
artificiales, como en el caso de radiografías de rayos X con fines médicos.
Por otro lado, los rayos cósmicos que se han detectado con las más altas energías
representan un misterio y su comprensión constituye aún hoy un reto científico importante.
En efecto, todavía no sabemos cómo y dónde adquieren su energía ni qué son estas
partículas. Es decir que en algunos lugares desconocidos del Universo existen aceleradores
100 millones de veces más potentes que los que tenemos en los laboratorios más grandes;
ahí se aceleran o producen estas partículas hasta las energías más grandes que se han
detectado en nuestro Universo. Lo que sí sabemos, sin embargo, es que estas partículas
deben venir de nuestra vecindad relativamente cercana de alrededor de 300 millones de
años-luz; para referencia, la galaxia de Andrómeda, que es el objeto celeste más lejano que
podemos ver a simple vista, se encuentra a 2 millones de años-luz de distancia; esto
significa que su luz tarda 2 millones de años en llegar a la tierra. La razón por la cual los
rayos cósmicos deben provenir de nuestra vecindad cósmica se debe a que un protón en su
viaje por el espacio pierde constantemente su energía al chocar con los fotones remanentes
de la gran explosión que ocurrió al inicio de Universo. Para aumentar el misterio, a estas
distancias relativamente pequeñas comparadas con el tamaño del Universo, no hemos
identificado las fuentes de estos rayos cósmicos ultra energéticos a pesar de que a estas
energías tan altas su dirección de llegada a la tierra debería apuntar a la fuente en la que se
producen. Los candidatos favoritos son los núcleos activos de galaxias y las radio galaxias
en donde ocurren procesos sumamente violentos que posiblemente involucran hoyos negros
miles de millones de veces más masivos que el sol. Otra posibilidad es que los rayos
cósmicos se deban a la aceleración en los campos magnéticos galácticos o extragalácticos
de monopolos magnéticos libres de baja interacción, en caso de que estos últimos existan
ya que no se han observado hasta ahora. Una posibilidad más es que los rayos cósmicos
tengan un origen relacionado con partículas que aún no se conocen o con nuevas leyes de la
física; como ha ocurrido en el pasado, los rayos cósmicos han contribuido en forma
considerable a incrementar el conocimiento de nuestro Universo. Por estas razones, el
estudio de los rayos cósmicos ultra energéticos es tan importante y ha despertado en la
actualidad el interés de una gran cantidad de científicos.
El Proyecto Pierre Auger es la iniciativa científica más importante del momento para
resolver el misterio de los rayos cósmicos de las energías más altas. El Grupo Pierre Auger
es una colaboración internacional formada por 250 investigadores de 20 países encabezada
por el Dr. James Cronin, ganador del Premio Nobel de Física en 1980. Por invitación del
Dr. Cronin, quien ha visitado nuestro país varias veces, un grupo mexicano, encabezado por
el Dr. Arnulfo Zepeda del CINVESTAV, ha venido participando en esta iniciativa desde
1996. El grupo de México, que incluye profesores y estudiantes de la Universidad
Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla,
la UNAM y el CINVESTAV, es un ejemplo de integración científica inter-institucional sin
precedente en México en un área en la que el notable físico mexicano Don Manuel
Sandoval Vallarta hiciera importantes contribuciones hace alrededor de setenta años.
El Observatorio Pierre Auger está actualmente en construcción en Argentina con el objetivo
de detectar y analizar un numero suficientemente alto de rayos cósmicos ultra energéticos
para esclarecer las tres interrogantes siguientes: i) ¿cuál es su frecuencia de llegada a la
tierra como función de sus energías?, esto se hará contando cuántos eventos hay en cada
intervalo de la energía medida; ii) ¿cuál es su composición química?, lo cual se hará
tratando de identificar el tipo de partícula primaria que origina la cascada secundaria de
partículas; y iii) ¿de dónde vienen?, lo que se logrará midiendo las direcciones de arribo de
las partículas secundarias. La participación del grupo mexicano, posible gracias al
financiamiento proporcionado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología y las
instituciones involucradas, se ha destacado en la colaboración internacional Pierre Auger
por el entusiasmo con que profesores y estudiantes han participado en varios aspectos
importantes del diseño y participan actualmente en la construcción del Observatorio Auger,
así como en el análisis de los datos que ya se están obteniendo.
* El autor es profesor del Instituto de Física y Matemáticas de la Universidad
Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, miembro del grupo Pierre Auger y Vicepresidente
de la División de Partículas y Campos de la Sociedad Mexicana de Física. Su e-mail es
villasen@ifm.umich.mx.