El inicio de la investigación en rayos cósmicos

Todo en la vida tiene un principio, y la ciencia y todas sus ramas no son menos. Tal es el caso de la investigación en rayos cósmicos, pero ¿qué son los rayos cósmicos? Explicado de una manera sencilla, son partículas subatómicas, mas pequeñas que los átomos como pueden ser los propios componentes del átomo tales como los protones, que vienen del espacio exterior y que se mueven a velocidades próximas a la velocidad de la luz.

 Victor Hess

Victor Hess

Estudiando la radiactividad a principios del siglo XX se descubrió que cuando se colocaba un electroscopio, que son unos dispositivos para determinar si un cuerpo tiene carga eléctrica (no nula) y su signo (carga positiva o carga negativa), cerca de una fuente radiactiva el aire se ionizaba, es decir los átomos y moléculas del aire adquirían una carga eléctrica. Si se colocaba el electroscopio lejos de la fuente radiactiva, se descubrió que el aire también estaba ionizado, por lo que se pensó que se debía a la existencia de fuentes de radiactividad natural en la superficie o el interior de la tierra y que esta ionización debía disminuir con la altura.

 Electroscopio

Funcionamiento de un electroscopio

En 1910 el físico austriaco Victor Hess, se subió a la torre Eiffel de París cargado con un electroscopio para intentar determinar cuál era la altura a la que la ionización se hacía despreciable o nula. El resultado fue sorprendente, ya que en lugar de disminuir la ionización, ésta aumentaba. Como cualquier resultado científico ha de estar acompañado de múltiples evidencias y soportado por varios experimentos realizados, a ser posible, en diferentes condiciones, Hess repitió su experimento ¡a 5000 metros de altura! Para ello, en 1912, se subió a un globo, pero esta vez acompañado de una cámara de ionización.

Una cámara de ionización básicamente es un instrumento en el cual hay un gas entre dos placas metálicas a las cuales se les aplica un voltaje. Cuándo el gas de su interior se ioniza debido a, por ejemplo, el impacto de un rayo cósmico, los iones generados se desplazan hacia una de las placas metálicas debido al voltaje aplicado, de manera que se crea una corriente eléctrica que se puede medir.

Los resultados que obtuvo Hess fueron los mismos que los que obtuvo en la torre Eiffel, por lo que llegó a la conclusión de que la radiación causante de la ionización no venía de abajo, sino de arriba. El nombre de rayos cósmicos, no es de esa época, sino de 1932 cuando Robert Millikan denominó de esta manera a la radiación que provenía del espacio exterior ya que pensaba que se trataba de rayos gamma que era la radiación electromagnética más penetrante conocida, aunque más tarde se descubriría que no era radiación electromagnética sino partículas con masa en su mayor parte.

Desde el descubrimiento de Hess, la historia de los rayos cósmicos ha avanzado mucho hasta hoy.

Dimitri Skobelzyn utilizó la cámara de niebla para detectar las primeras trazas de productos de rayos cósmicos en 1929, al igual que hiciera Carl Anderson en 1932 para detectar el positrón, que es la anti-partícula del electrón, es decir, una partícula que es idéntica al electrón pero con carga positiva (pero no es el protón, ya que este aunque tiene carga positiva tiene una masa casi 2000 veces superior a la del electrón).

Mas tarde en 1938, Pierre Auger, habiendo colocado detectores en varios puntos distantes de los Alpes, detectó que la llegada de partículas a ambos detectores era simultánea, con lo que dedujo que el impacto de partículas de alta energía en las capas altas de la atmósfera generaba unas cascadas de partículas secundarias.

 particle shower

 Cascada de partículas generada en la atmósfera por el impacto de un rayo cósmico

Actualmente los detectores que se usan para estudiar rayos cósmicos son más complejos y debido a que la intensidad de las partículas que vienen del espacio es mayor a alturas mayores, la mayoría de los experimentos se colocan en montañas y zonas elevadas como es el caso del observatorio Pierre Auger en la Pampa Amarilla en Argentina con unas alturas medias sobre el nivel del mar de 1400 m o el experimento MAGIC en el Observatorio del Roque de los Muchachos de la Isla de la Palma en las Islas Canarias.

MAGIC

Telescopios del Experimento MAGIC en el Roque de los Muchachos

Nuestros detectores están incluso en el espacio, como el Espectrometro Magnético Alpha, más conocido como AMS-02 que está instalado en la Estación Espacial Internacional y que tiene como objetivo tomar medidas de la antimateria de los rayos cósmicos para buscar evidencias de materia oscura.

carnaval de la fisicaEsta entrada participa en la XLVII Edición del Carnaval de la Física, que organiza en esta ocasión el blog Pero esa es otra historia y debe ser contada en otra ocasión que administra Unnuncuadio

Referencias

Arqueros F. Rayos Cósmicos: Las Partículas más Energéticas de la Naturaleza. Revista “A Distancia (UNED), 1994.

http://visitantes.auger.org.ar/index.php/historia/historia-de-los-rayos-cosmicos.html

http://www.biografiasyvidas.com/biografia/h/hess_victor.htm

The beginning of the research on cosmic rays

Everything in life has a beginning and science, and all of its areas, has a beginning as well. This is the case of cosmic rays research too, but what are cosmic rays? In a simply way, they are subatomic particles, smaller than atoms such as their constituents like protons, that come from the outer space moving at speeds close to the speed of light

Victor Hess

Victor Hess

While studying radioactivity at the beginning of the 20th century, it was found that when an electroscope, that is a devise to determine whether body has electrical charge and its sign (positive or negative), was put close to a radioactive source, the air was ionized, that is that the atoms and molecules of the air were charged electrically. If the electroscope was put far from the radioactive source, it was fount that the air was also ionized, therefore it was thought that it was due to the existence of natural radioactive sources in the surface or the interior of the earth ant that this ionization should decrease at higher altitudes.

Electroscopio

How an electroscope works

In 1910, Austrian physicist Victor Hess, climbed up the Eiffel tower in Paris with an electroscope in order to try to determine at what altitude ionization was negligible or non-existent. The result was amazing, because instead of decreasing, ionization increased with altitude. As with any other scientific result, that has to be supported with multiple evidences and various experiments repeated, when possible, in different conditions, Hess repeated its experiment but an altitude of 5000 m! For it, in 1912 he used a hot air balloon but this time with an ionization chamber.

An ionization chamber basically is an instrument with a gas inside between two metallic plates, which are applied a voltage. When the gas inside the instrument is hit by, for instance, a cosmic ray, the ions generated inside the gas move towards the metallic plates because of the voltage in a way that an electrical current, that can be measured, is generated.

The results that Hess obtained were the same as those in the Eiffel tower, thus he arrived to the conclusion that the radiation causing the ionization of the air was not coming from the ground but from above. The name of cosmic rays, is not from those days but from 1932 when Robert Millikan named in this way the radiation coming from the outer space as he thought that they were gamma rays, the most penetrating electromagnetic radiation known to date, although later was discovered that it was not electromagnetic radiation but mostly particles with mass.

From Hess’ discovery, the history of cosmic rays has advanced a lot until nowadays.

Dimitri Skobelzyn used the cloud chamber to detect the first traces of the products of cosmic rays in 1929, as well as Carl Anderson did in 1932 to discover the positron, which is the electron anti-particle (but it is not the proton, because, although it has positive charge, it is 2000 times heavier than the electron).

Later in 1938, Pierre Auger, having placed detectors in various distant points in the Alps, detected that the arrival of particles in both detectors was simultaneous, so he found that the impact of high energy particles in the higher layers of the atmosphere generated secondary particle showers.

particle shower

Secondary particle shower generated in the atmosphere by the impact of a cosmic ray

Currently the detectors used to study cosmic rays are more sophisticated and, because the intensity of the particles coming from space is higher at higher altitudes, they are located in mountains and elevated areas as it is the case of the Pierre Auger observatory in the Pampa Amarilla in Argentina with an average altitude over the mean sea level of 1400 m or the MAGIC experiment in the Roque de los Muchachos observatory in the Palma Island of the Canary Islands (Spain).

MAGIC

Telescopios del Experimento MAGIC en el Roque de los Muchachos

Our detectors are even in the space like the Alpha Magnetic Spectrometer, also known as AMS-02 installed in the International Space Station whose objective is to measure the antimatter of cosmic rays to search for eviden of dark matter.

References:

Arqueros F. Rayos Cósmicos: Las Partículas más Energéticas de la Naturaleza. Revista “A Distancia (UNED), 1994.

http://visitantes.auger.org.ar/index.php/historia/historia-de-los-rayos-cosmicos.html

http://www.biografiasyvidas.com/biografia/h/hess_victor.htm