Física de astropartículas

Durante muchos siglos la única manera que teníamos de entender lo que pasaba en el universo, era a través de la luz que llegaba a nuestros ojos, ya fuera a través de la observación directa o a través de telescopios desde los tiempos de Galileo. Aunque el ojo humano es un instrumento maravilloso, existen fenómenos que el ojo no puede detectar debido a que caen fuera del rango de longitudes de onda en el que es eficaz. Muchos de estos procesos son altamente energéticos y constituyen la rama de la Astrofísica de partículas o Física de astropartículas.

La Física de astropartículas es relativamente reciente. En esencia trata de investigar todos aquellos procesos astrofísicos de alta energía.

Prácticamente comenzó su andadura en 1911 con el descubrimiento de los rayos cósmicos por Victor Hess. Los rayos cósmicos son parte de esos procesos de alta energía que suceden en el Universo pero, ¿cómo distinguir si lo que recibimos de un objeto astronómico es debido a un proceso normal o de alta energía?

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Victor Franz Hess (Fuente: Dominio Público)

La mayor parte de la luz que recibimos de estrellas, nebulosas, galaxias,… se debe a procesos térmicos. Un proceso térmico es aquel en el que la radiación que medimos (no sólo visible, sino también infrarroja o ultravioleta, por ejemplo) se puede aproximar a la de un cuerpo negro. Los procesos que dan lugar a la radiación térmica comienzan en los núcleos de la estrellas. Son procesos de fusión nuclear de Hidrógeno, Helio y otros elementos más pesados que a su vez son los que dan lugar a la evolución de la propia estrella. Aunque son procesos realmente energéticos, éstos están todavía en el campo de la Física Nuclear. La energía que generan estos procesos de fusión es la responsable de la radiación que es emitida por la estrella. A su vez esta radiación incide sobre otros átomos presentes en su entorno y da lugar a la radiación (también térmica) que observamos en nebulosas y galaxias.

Sin embargo, la fundación de la radio astronomía, después de la Segunda Guerra Mundial, y la capacidad de detectar radiación en el rango de los rayos gamma, a partir de la década de los 60, contribuyeron a dejar claro que los procesos térmicos no eran los únicos que sucedían en el Universo.

Pero, pensemos un momento. Las ondas de radio forman parte del espectro electromagnético al igual que la luz visible, infrarroja y ultravioleta, ¿cómo es posible que la radio astronomía contribuyera al desarrollo de la Física de astropartículas?

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Uno de los dos telescopios MAGIC de 17 metros en La Palma (Credito: Robert Wagner, MPI de  Física, Munich / ASPERA).

Vamos a recordar lo que hablamos sobre el índice espectral aquí. Si la radiación emitida por una radio fuente dependiera de la frecuencia como ν2, ésta tendría un origen térmico ya que la distribución de energía tendría la forma de la aproximación de Rayleigh-Jeans, que se deriva de considerar la ecuación de la distribución de energía de Planck para bajas frecuencias (precisamente las que corresponden a las ondas de radio). Sin embargo, no se observa esta dependencia con la frecuencia, sino algo del tipo ν-0.5. Esto quiere decir que la radiación observada no es de origen térmico. En un alarde de originalidad a esta radiación se le llamó no térmica. De hecho, se trata de radiación sincrotrón causada por electrones moviéndose a velocidades relativistas en el interior de un campo magnético. Es más, sabemos que es radiación sincrotrón porque es la misma que observamos en los aceleradores de partículas en la tierra cuando aceleramos partículas cargadas siguiendo una trayectoria curva en el interior de un campo magnético. De ahí su nombre.

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Generación de radiación sincrotrón (izquierda) y comparación entre radiación térmica y no térmica (derecha) (Fuente)

A pesar de que la radiación observada (ondas de radio) es la que menos energía tiene de todo el espectro electromagnético, ésta es provocada por procesos de alta energía, que generan radiación no térmica, propios del campo de estudio de la Física de astropartículas.

Esta radiación se ha observado, por ejemplo, en restos de supernova, dejando claro lo altamente energéticas que son las explosiones de supernova.

Pero no sólo las ondas de radio nos dan pruebas de los procesos físicos de alta energía que ocurren en el Universo. También las radiaciones más energéticas, como los rayos X o los rayos gamma, son una prueba de ello.

En los laboratorios en tierra podemos estudiar la distribución de energía que tienen los procesos de dispersión de Compton y dispersión de Compton inversa. En la dispersión de Compton inversa los fotones adquieren energía en la retro dispersión de electrones cuando chocan con ellos. Para que esto ocurra, los electrones se tienen que estar moviendo a velocidades muy altas. Si al observar un objeto astronómico medimos, en el rango de los rayos X o de los rayos gamma, una distribución de energía que se corresponde con una distribución de energía de una dispersión de Compton inversa, podemos decir que existen procesos de alta energía, y de nuevo volvemos a entrar en el ámbito de la Física de astropartículas.

A veces, los procesos que generan radiación sincrotrón y los que generan dispersión de Compton inversa se unen para dar lugar a una combinación de ondas de radio y radiación más energética, ya sea en el rango de rayos X, de rayos gamma o ambos a la vez. Imaginemos la siguiente situación. Tenemos electrones moviéndose a gran velocidad en un campo magnético y por lo tanto se está emitiendo radiación sincrotrón que podemos medir usando técnicas de radioastronomía. Los fotones que se producen en la radiación sincrotrón, se encuentran con otros electrones relativistas y se produce dispersión de Compton inversa. El resultado es que el fotón inicial adquiere más energía, emitiendo, por tanto, también rayos X y/o rayos gamma.

Hasta ahora, hemos visto que los procesos de alta energía que se producen en algunos objetos astronómicos se deben a electrones relativistas, es decir, electrones que se están moviendo a velocidades próximas a la de la luz. Pero también observamos rayos cósmicos de una energía extremadamente alta que demuestran que no sólo los electrones son acelerados hasta altas energías, sino que también las partículas compuestas (hadrones), como los protones, también son aceleradas. La distribución de energía de estos protones sería diferente. Los protones interaccionarían con el gas con el que se encuentren en su camino y daría lugar a piones neutros (una partícula compuesta por un quark y un antiquark u o por un quark y un antiquark d). A su vez el pion neutro se desintegraría en dos fotones de alta energía (rayos gamma) con un espectro diferente al de la dispersión de Compton inversa. También podría pasar que la interacción diera lugar a piones cargados (compuestos por un quark u y un antiquark d o viceversa). La desintegración de estos piones cargados generaría neutrinos con una energía muy alta. Lo complicado de todo esto, es que aunque se han observado neutrinos de muy alta energía, no se han podido asociar a ninguna fuente puntual, es decir, a un objeto astronómico, por lo que no podemos conocer su origen.

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Uno de los eventos producidos por un neutrino de muy alta energía superpuesto a una imágen del laboratorio Ice Cube en el Polo Sur. (Crédito: Colaboración Ice Cube)

Quedan muchas preguntas por responder en el campo de la Física de astropartículas. Queda mucho por investigar para poder identificar los objetos astronómicos que producen las astropartículas y poder llegar a conocer el Universo en detalle. Pero no debemos olvidar que la Física de astropartículas es todavía una rama de la ciencia muy joven y todavía le queda mucho camino por recorrer.

Referencias

Particle Astrophysics. Susan Cartwright

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Fuentes naturales de radiación ionizante

A pesar de que ciertos sectores de la sociedad nos digan que son determinadas industrias las causantes de todos los males relacionados con las radiaciones ionizantes que sufrimos, lo cierto es que es la propia naturaleza, esa misma naturaleza que lleva aquí desde antes que nosotros existiéramos, la que contribuye en mayor proporción a la dosis efectiva de radiación que recibimos anualmente.

Aproximadamente, el 87% de la dosis efectiva que recibimos cada uno de nosotros anualmente proviene de fuentes naturales. Estas fuentes son de dos tipos.

Fuentes Extraterrestres: No quiere decir que seres de otros planetas nos irradien con su avanzado armamento, sino que es radiación que proviene desde fuera de la tierra. Esta es la radiación cósmica que se compone de diferentes partículas muy energéticas que vienen del sol o de otras estrellas, que tras haber viajado millones de años a través del espacio, se encuentran con nuestro planeta y llegan hasta nosotros. Los rayos cósmicos se componen de partículas cargadas eléctricamente como son protones, algunos electrones, iones, etc. o partículas sin carga como los neutrones.

Algunas de estas partículas llegan hasta nosotros directamente y en muchos casos nos atraviesan sin que nosotros lo sintamos. Otras muchas partículas colisionan con átomos o moléculas presentes en la atmósfera (por ejemplo el oxígeno que respiramos) y dan lugar a otras partículas secundarias que igualmente llegan hasta nosotros.

Hay que dejar claro que la radiación cósmica no es la misma en todos los lugares de la tierra ni a la misma altitud. La dosis efectiva debida a la radiación cósmica será mayor para aquellas personas que vivan en lugares que están a mayor altitud o que vuelen muy a menudo y también será mayor para personas que vivan en latitudes comprendidas entre los 40o y 50o de latitud.

Fuentes terrestres: Cuando la tierra se formó, incorporó a su composición muchos radionúclidos con una vida media tan larga como para que sigan existiendo en la actualidad, como son el 238U, 232Th, 235U o 40K. Además algunos de estos radionúclidos, al ser inestables, se desintegran en otros elementos que también son radiactivos, contribuyendo también a la dosis efectiva anual.

Estos elementos están distribuidos, más o menos, uniformemente en toda la corteza terrestre.

Sin embargo, existe un radionúclido que se encuentra en mayor proporción en ciertas zonas del planeta y que es especialmente peligroso para los seres vivos. Es el radón-222 (222Ra). Este radionúclido es el resultado de la desintegración del 226Ra y se encuentra en estado gaseoso por lo que, una vez emitido por el 226Ra que se encuentra en el suelo, se distribuye por la atmósfera y es susceptible de que lo respiremos. Si en lugar de emitirse directamente a la atmósfera, se filtra a través del suelo al interior de un edificio, las concentraciones aumentan y las probabilidades de que lo respiremos también aumentan.
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Mapa de distribución de Radón en España (Fuente: Agencia SINC)

El resto de la dosis efectiva que recibimos anualmente es resultado de algunas prácticas que ha desarrollado el ser humano y curiosamente, la mayor parte de esa radiación ionizante es debida a los tratamientos que recibimos para cuidar nuestra salud, como son las técnicas de radiodiagnóstico (por ejemplo, rayos X), radioterapia, medicina nuclear o radioinmunoanálisis. Si queréis aprender más sobre este tipo de radiaciones y su uso en la sociedad, os recomiendo que leáis el blog Desayuno con fotones, donde grandes expertos en estos temas lo explican de una manera clara, sencilla y didáctica.

Referencias:

UNSCEAR 2000 Report on Sources and Effects of Ionizing Radiation to the General Assembly. Volumen I y Volumen II
El Mapa del Radón en España. Cátedra de Física Médica, Universidad de Cantabria

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.

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 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.

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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