Articulo de Investigación

Revista de la Academia Mexicana de Ciencias

Las partículas más poderosas del Universo
Angélica Bahena Blas y Wolfgang Bietenholz

Resumen o “abstract”
El año pasado se celebró el centenario del descubrimiento de los rayos cósmicos, que zumban por todo el universo, con energías muy variadas: algunos de ellos son partículas más energéticas que existen.

Sin embargo, la teoría predice queno deberían existir rayos cósmicos cuya energía exceda un cierto valor gigantesco (es decir, que su energía debe presentar un “corte”). Esto es difícil de verificar, ya que las mediciones son todavía controvertidas.

Observar este corte nos daría la oportunidad única de explorar conceptos establecidos de la física en condiciones extrema. Si las mediciones contradijeran la existencia del corte,nos encontraríamos frente a un fenómeno físico que no podría ser descrito por las teorías establecidas.

Introducción
Descubrimientos de los rayos cósmicos

A lo largo de nuestras vidas nos hallamos rodeados –y penetrados- por varios tipos de radiación. La humanidad ha sido consciente de ellos desde los principios del siglo XX, cuando fueron desarrollados los primeros instrumentos paradetectar “radiación ionizante” (flujo de partículas con energía suficiente para separar electrones de las moléculas que atraviesa, lo que provoca que pasen de ser neutras a tener carga eléctrica; ionizarse). Se identificaron fuentes dentro de la Tierra, como el metal de radio. Pero ¿se origina dentro de nuestro planeta toda la radiación que nos rodea? De ser así, la intensidad de esta radiación deberíadecrecer rápidamente conforme nos alejamos del nivel del suelo. Para comprobarlo, el jesuita alemán Theodor Wulf realizó pruebas en la cima de la torre Eiffel, pero su medición no confirmó el decrecimiento esperado. Una crítica que le hicieron fue que la presencia de toneladas de metal podría haber afectado sus resultados.

Posteriormente se efectuaron experimentos más rigurosos en globosaerostáticos.
En 1912 el físico austriaco Viktor Hess, durante siete viajes en globo, observó que la radiación ionizante decrecía sólo ligeramente hasta unos 2,000 metros sobre el nivel del suelo, y a medida que la altura aumentaba más (hasta los 5,350 metros), incluso se incrementaba gradualmente. Hess interpretó su observación correctamente: una parte significativa de la radiación debía provenir defuera de la Tierra. Comparó datos tomados de día, de noche y durante un eclipse, y concluyó que el Sol no era una fuente relevante de estos “rayos cósmicos”.

Consideremos la energía cinética, la cual es una medida del trabajo necesario para acelerar un objeto de un estado de reposo a una velocidad dada. Un valor de 1015 electronvolts es equivalente a la energía cinética que lleva una pelota detenis de mesa, con masa de 2.7 gramos, a una velocidad de 34.4 centímetros por segundo. Suponiendo que la partícula cósmica sea un protón (el núcleo de un átomo de hidrógeno), toda esta energía se concentra en una masa casi un cuatrillón de veces menor.

Parte experimental
Del fondo cósmico de microondas a la predicción del corte GZK
En 1965 A. Penzias y R. Wilson descubrieron (accidentalmente)la radiación de fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés). Se trata de una reliquia del universo temprano: son fotones (partículas de luz) que se desacoplaron unos 380,000 años después del big bang, cuando el universo sólo tenía 0.0028 por ciento de su edad actual. Estos fotones radiados fueron enfriando desde entonces, de modo que ahora la radiación de fondo de microondas –y porconsiguiente el universo– tiene una temperatura de 2.73 kelvins (la temperatura absoluta mínima es 0 kelvins, equivalente a –273.15 grados Celsius; la temperatura de la radiación de fondo de microondas corresponde a −270.42 grados Celsius). Esto significa que un centímetro cúbico del espacio contiene un promedio de 411 fotones de la radiación de fondo de microondas, con una energía microscópica...