A pesar de que apenas un siglo ha pasado desde el descubrimiento de los rayos cósmicos, todavía no se sabe de dónde provienen y por qué llegaron a la Tierra. Se sabe con seguridad que aproximadamente el 95 % de los rayos cósmicos que llegan a la parte superior de la atmósfera son protones de alta energía, mientras que el resto son helio y otros núcleos. Crédito de la imagen: Wallhere
Los físicos de la India y Japón han explorado con detalle una región poco conocida del espectro de energía de los rayos cósmicos utilizando las observaciones del detector de muones GRAPES-3.
Una curvatura en el espectro fue identificada por Fahim Varsi y sus colegas del Instituto Indio de Tecnología de Kanpur. Las observaciones indican que es necesario reconsiderar los orígenes de los rayos cósmicos.
Los rayos cósmicos, que están compuestos principalmente por protones y núcleos de helio, son partículas altamente energéticas que bombardean constantemente la atmósfera terrestre. Los rayos cósmicos liberan partículas secundarias como electrones, fotones y muones al interactuar con la atmósfera y caer sobre la Tierra.
Victor Hess, ganador del premio Nobel, observó los rayos cósmicos por primera vez en 1912. Sin embargo, a pesar de que ha pasado más de cien años desde su detección inicial, todavía nos queda mucho por descubrir sobre la naturaleza de estas partículas.
Los astrónomos creen que los rayos cósmicos se originan en varias fuentes diferentes, incluidas estrellas, supernovas y núcleos galácticos activos. Sin embargo, debido a que las partículas son desviadas por campos magnéticos cuando viajan grandes distancias hacia la Tierra, aún no se ha comprendido completamente los orígenes de los rayos cósmicos.
Se requieren medidas precisas.
Pravata Mohanty, miembro del equipo de investigación fundamental del Instituto Tata de Mumbai, afirma que los rayos cósmicos son las partículas más energéticas del universo. Para avanzar en nuestra comprensión de sus orígenes, aceleración y propagación, se requiere una medición precisa de la forma del espectro de energía elemental en los rayos cósmicos.
El espectro de rayos cósmicos contiene energías en el rango de 100 TeV-1 PeV, lo que hace que la comprensión sea particularmente evidente. En esta ventana, las partículas son demasiado energéticas para que los detectores espaciales las capten directamente, pero no lo suficientemente como para que una gran cantidad de partículas en forma de lluvia llegue a los detectores en la Tierra.
El equipo de Varsi examinó las observaciones del experimento GRAPES-3 para explorar este rango de energía con más detalle. Se trata de un observatorio de muones que se encuentra en el sur de la India y tiene varios detectores de centelleo. La ubicación a 2200 metros sobre el nivel del mar facilita la identificación de muones antes de que interactúen con la atmósfera.
Mohanty explica que GRAPES-3 incluye un detector de área grande que nos permite medir la composición elemental de los rayos cósmicos a través del componente de muones en las lluvias de rayos cósmicos. GRAPES-3 garantiza una precisión estadística excepcionalmente alta en las mediciones, ya que tiene un área de detección varios miles de veces mayor que la de los detectores espaciales.
Cuatro años de estudios.
En 2014 y 2015, los investigadores evaluaron alrededor de 8 millones de lluvias durante un período de 460 días. El análisis tardó cuatro años en completarse debido a la complejidad de sus métodos analíticos y de corrección de errores. El equipo afirma que sus hallazgos brindan una visión preliminar de la ventana de energía media.
Mohanty describe que el estudio midió el espectro de protones en rayos cósmicos de 50 TeV a 1,3 PeV, conectando de manera efectiva observaciones desde el espacio y desde la Tierra.
El equipo de Varsi encontró una torcedura en el espectro de energía de alrededor de 166 TeV, que encontró más protones cósmicos de los previstos a energías ligeramente más altas. Anteriormente, experimentos terrestres habían encontrado una torcedura similar en alrededor de 3 PeV, que se creía que era la energía máxima para los rayos cósmicos que se originan en las galaxias.
Hasta ahora, los investigadores habían asumido generalmente que una simple ley de potencia podría describir el espectro de energía de los protones en la región observada. Sin embargo, esta suposición parece desafiada por el descubrimiento del equipo.
Mohanty explica que esto implica que una clase de fuentes, a menudo considerados restos de supernovas, puede acelerar efectivamente los rayos cósmicos hasta el punto de torsión observado, mientras que otra clase se vuelve predominante más allá de ese punto.
El equipo de Varsi espera que nuevos modelos que tomen en cuenta estos efectos pronto surjan a partir de estos hallazgos. Si se logran, podrían mejorar nuestra comprensión de cómo los rayos cósmicos emergen, se aceleran y se propagan a través de distancias intergalácticas.
REFERENCIAS
Evidence of a Hardening in the Cosmic Ray Proton Spectrum at around 166 TeV Observed by the GRAPES-3 Experiment. Physical Review Letters: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.051002
GRAPES-3 Experiment at TeV Energies. Cosmic ray Laboratory – TIFR: https://www.tifr.res.in/grapes3/#
