Rayos cósmicos: Partículas muy energéticas procedentes del universo

¿Qué es una “partícula energética”?

En el día a día medimos energías en el orden de los julios. Aún más familiar es el vatio, unidad en la que se expresa la potencia, que es la energía consumida por unidad de tiempo. No obstante, estas unidades de medida no son adecuadas cuando hablamos de partículas elementales con masas masas ínfimas, como los protones y los electrones.

Los físicos de partículas y rayos cósmicos miden la energía en electrón-voltios (eV). Un electrón-voltio es la energía que adquiere un electrón o un protón al que se somete a una diferencia de potencial de un voltio. Por ejemplo, si tuviéramos una batería de 4.5V en el vacío, y pusiéramos un protón entre sus bornes, el voltaje aceleraría el protón y le haría adquirir una energía de 4.5 eV.

Esta no es una energía demasiado alta. Los electrones y protones en la corona solar, donde la temperatura ronda el millón de grados centígrados, tienen una energía media de 100 eV. Pero cuando hablamos de rayos cósmicos, hablamos de energías mucho mayores. Para que sean detectados a nivel del suelo, los rayos cósmicos que inciden en la atmósfera de la tierra deben de tener, al menos, una energía mínima de cerca de 450 millón eV, o 450 MeV (de Mega electrón-voltio).

Rayos cósmicos

Los rayos cósmicos que inciden en la tierra han sido analizados, y conocemos su espectro de energías a partir de diferentes medidas. Esta figura muestra un resumen de las observaciones a lo largo de un amplio rango de energías (ver ilustración). Los rayos cósmicos más energéticos medidos tenían una energía por encima de los 100 millones de billones de eV (10²⁰ eV). Esta es la energía de una pelota de tenis lanzada a 100 km/h, sólo que en el caso de una partícula de alta energía, toda ella estaría concentrada en un diminuto protón.

Estas partículas tienen diferentes orígenes:

• Los rayos cósmicos con energías cercanas al millar de millones de electrón-voltios, (10⁹ eV, abreviado GeV, de giga electrón-voltio) proceden del Sol y de otras fuentes de nuestra Galaxia. El espectro se curva en esta región porque el acceso de los rayos cósmicos procedentes del exterior del sistema solar al interior el mismo, se ve reducido por la acción del campo magnético del Sol,
• El flujo permanente de rayos cósmicos que no procede del sol, sino de otras fuentes de nuestra propia galaxia, o incluso desde más allá de ella. Las partículas cuya energía se encuentra por encima de 10 GeV, penetran sin problemas en el sistema solar interior sin ser afectadas por el campo magnético del sol. Estas partículas tienen un espectro prácticamente lineal en la gráfica. Como dicha gráfica representa el logaritmo del flujo de partículas en función del logaritmo de la energía de las mismas, el espectro es en realidad una ley de la potencia F(E) ~E^-p
• Tras una inspección minuciosa, es posible darse cuenta de que existen discontinuidades en la ley anterior, por ejemplo, cerca de 3 x 10¹⁵eV (que se denomina la rodilla del espectro de los rayos cósmicos), y cerca de 10²⁰ eV (the “ankle”). Estas particularidades permiten distinguir rayos cósmicos de diferentes fuentes. Se cree que los protones con energías por encima de 10¹⁵ eV e iones con energías superiores a eV proceden de fuera de nuestra galaxia.