En 1991, el experimento Fly’s Eye de la Universidad de Utah detectó el rayo cósmico de mayor energía jamás observado. Más tarde apodada la partícula Oh-My-God”, la energía del rayo cósmico sorprendió a los astrofísicos. Nada en nuestra galaxia tenía el poder de producirla, y la partícula tenía más energía de la que teóricamente era posible para los rayos cósmicos que viajaban a la Tierra desde otras galaxias. En pocas palabras, la partícula no debería existir.
Desde entonces, el Telescope Array ha observado más de 30 rayos cósmicos de energía ultraalta, aunque ninguno se acerca al nivel de energía de Dios mío. Ninguna observación ha revelado aún su origen ni cómo pueden viajar a la Tierra.
El 27 de mayo de 2021, el experimento Telescope Array detectó el segundo rayo cósmico de energía extrema más alto. A 2,4 x 1020 eV, la energía de esta única partícula subatómica equivale a dejar caer un ladrillo sobre el dedo del pie desde la altura de la cintura. Dirigido por la Universidad de Utah (la U) y la Universidad de Tokio, el experimento utilizó el Telescope Array, que consta de 507 estaciones detectoras de superficie dispuestas en una cuadrícula que cubre 700 km2 en las afueras de Delta, Utah, en el desierto occidental del estado.
El evento activó 23 detectores en la región noroeste del Telescope Array, extendiéndose a lo largo de 48 km2. Su dirección de llegada parecía ser desde el Vacío Local, un área vacía del espacio que bordea la Vía Láctea.
“Las partículas tienen tanta energía que no deberían verse afectadas por los campos magnéticos galácticos y extragalácticos. Deberíamos poder señalar de dónde vienen en el cielo”, dijo John Matthews, coportavoz de Telescope Array en el U y coautor del estudio. “Pero en el caso de la partícula Oh-Dios mío y esta nueva partícula, se rastrea su trayectoria hasta su fuente y no hay nada con suficiente energía para haberla producido. Ese es el misterio de esto: ¿qué diablos está pasando?”
En su observación publicada en la revista Science, una colaboración internacional de investigadores describe el rayo cósmico de energía ultraalta, evalúa sus características y concluye que estos raros fenómenos podrían seguir una física de partículas desconocida para la ciencia. Los investigadores la llamaron partícula Amaterasu en honor a la diosa del sol en la mitología japonesa. Las partículas Oh-My-God y Amaterasu se detectaron utilizando diferentes técnicas de observación, lo que confirma que, si bien son raros, estos eventos de energía ultra alta son reales.
“Estos eventos parecen venir de lugares completamente diferentes en el cielo. No es que haya una fuente misteriosa”, dijo John Belz, profesor de la Universidad y coautor del estudio. “Podrían ser defectos en la estructura del espacio-tiempo, la colisión de cuerdas cósmicas. Quiero decir, sólo estoy escupiendo ideas locas que a la gente se le ocurren porque no hay una explicación convencional”.
Aceleradores de partículas naturales
Los rayos cósmicos son ecos de violentos acontecimientos celestes que han despojado a la materia de sus estructuras subatómicas y la han lanzado a través del universo casi a la velocidad de la luz. Esencialmente, los rayos cósmicos son partículas cargadas con una amplia gama de energías que consisten en protones positivos, electrones negativos o núcleos atómicos completos que viajan a través del espacio y caen sobre la Tierra casi constantemente.
Los rayos cósmicos golpean la atmósfera superior de la Tierra y destruyen el núcleo de oxígeno y nitrógeno, generando muchas partículas secundarias. Estos viajan una corta distancia en la atmósfera y repiten el proceso, generando una lluvia de miles de millones de partículas secundarias que se dispersan hacia la superficie. La huella de esta lluvia secundaria es enorme y requiere que los detectores cubran un área tan grande como el Telescope Array. Los detectores de superficie utilizan un conjunto de instrumentación que brinda a los investigadores información sobre cada rayo cósmico. El momento de la señal muestra su trayectoria y la cantidad de partículas cargadas que golpean cada detector revela la energía de la partícula primaria.
Debido a que las partículas tienen carga, su trayectoria de vuelo se asemeja a la de una bola en una máquina de pinball mientras zigzaguean contra los campos electromagnéticos a través del fondo cósmico de microondas. Es casi imposible rastrear la trayectoria de la mayoría de los rayos cósmicos, que se encuentran en el extremo bajo al medio del espectro energético. Incluso los rayos cósmicos de alta energía se ven distorsionados por el fondo de microondas. Las partículas con energía de Oh-My-God y Amaterasu atraviesan el espacio intergaláctico relativamente sin doblarse. Sólo los acontecimientos celestiales más poderosos pueden producirlos.
“Las cosas que la gente considera energéticas, como las supernovas, no son lo suficientemente energéticas para esto. Se necesitan enormes cantidades de energía, campos magnéticos realmente altos para confinar la partícula mientras se acelera”, dijo Matthews.
Los rayos cósmicos de energía ultraalta deben superar los 5 x 1019 eV. Esto significa que una sola partícula subatómica lleva la misma energía cinética que la bola rápida de un lanzador de Grandes Ligas y tiene decenas de millones de veces más energía que la que cualquier acelerador de partículas fabricado por el hombre puede alcanzar. Los astrofísicos calcularon este límite teórico, conocido como límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK), como la energía máxima que un protón puede contener al viajar largas distancias antes de que el efecto de las interacciones de la radiación de fondo de microondas le quite su energía.
Las fuentes candidatas conocidas, como núcleos galácticos activos o agujeros negros con discos de acreción que emiten chorros de partículas, tienden a estar a más de 160 millones de años luz de la Tierra. Los 2,4 x 1020 eV de la nueva partícula y los 3,2 x 1020 eV de la partícula “Oh-My-God” superan fácilmente el límite.
Los investigadores también analizan la composición de los rayos cósmicos en busca de pistas sobre sus orígenes. Una partícula más pesada, como los núcleos de hierro, es más pesada, tiene más carga y es más susceptible a doblarse en un campo magnético que una partícula más ligera hecha de protones de un átomo de hidrógeno. Es probable que la nueva partícula sea un protón. La física de partículas dicta que un rayo cósmico con energía más allá del límite GZK es demasiado poderoso para que el fondo de microondas distorsione su trayectoria, pero rastrear su trayectoria apunta hacia el espacio vacío.
“Tal vez los campos magnéticos sean más fuertes de lo que pensábamos, pero eso no está de acuerdo con otras observaciones que muestran que no son lo suficientemente fuertes como para producir una curvatura significativa en estas energías de 1020 electronvoltios”, dijo Belz. “Es un verdadero misterio”.
Ampliando la huella
El Telescope Array está en una posición única para detectar rayos cósmicos de energía ultra alta. Se encuentra a unos 1.200 m, el punto óptimo de elevación que permite el máximo desarrollo de las partículas secundarias, pero antes de que comiencen a desintegrarse. Su ubicación en el desierto occidental de Utah proporciona condiciones atmosféricas ideales de dos maneras: el aire seco es crucial porque la humedad absorberá la luz ultravioleta necesaria para la detección; y los cielos oscuros de la región son esenciales, ya que la contaminación lumínica generará demasiado ruido y oscurecerá los rayos cósmicos.
Los astrofísicos todavía están desconcertados por este misterioso fenómeno. El Telescope Array se encuentra en medio de una expansión que esperan ayude a resolver el caso. Una vez terminado, se ampliarán 500 nuevos detectores de centelleo. El Telescope Array tomará muestras de lluvias de partículas inducidas por rayos cósmicos en 2.900 km2, un área casi del tamaño de Rhode Island. Se espera que la huella más grande capture más eventos que arrojen luz sobre lo que está sucediendo.
Fuente: Phys.org.
