lunes, diciembre 04, 2006

Rayos cósmicos ultra-energéticos y el límite de Greisen-Zatzepin-Kuzmin (GZK)

Este artículo es de la serie experimentos de la gravitación cuántica.

Los rayos cósmicos son partículas muy energéticas que se originan más allá de la atmósfera terrestre y que entran en ella. Entre estas partículas se encuentran núcleos atómicos, protones, electrones, neutrinos y rayos gamma. Cuando un rayo cósmico entra en la atmósfera terrestre colisiona con un núcleo atómico de uno de los componentes del aire y produce una cascada cónica de billones de partículas elementales de las cuales muchas alcanzan la superficie terrestre.

Una imagen de este proceso se encuentra aquí. No la incluyo por ser demasiado grande, pero conviene echarle un vistazo para hacerse una idea así como para ver los métodos de detección: detección subterránea y en la superficie a través de tanques de agua y escintiladores, detección de fotones cerenkov y mediciones de fluorescencia. En el enlace también se explican estas cosas brevemente.

Los rayos cósmicos formados por núcleos, protones o electrones, deberían quedar por debajo del límite energético de 5 x 10^{19} eV, el límite Greisen-Zatzepin-Kuzmin, debido a la interacción de éstos con los fotones del fondo cósmico de microondas y su consiguiente pérdida de energía cinética. Las partículas por encima de este límite se conocen por el nombre de oh-my-god particles. Este límite no vale para rayos gamma o neutrinos, los cuales no interactúan con los fotones del fondo.

Se han detectado varias veces eventos de tal energía, no obstante, no está clara su naturaleza ni la partícula que las causó, así como su orígen. Las hipótesis usuales suelen involucrar física nueva, como decaimientos de partículas de teorías GUT o incluso propuestas de modificaciones de la relatividad especial como la Double Special Relativity.

En este artículo voy a mencionar experimentos que tratan de elucidar la naturaleza de este tipo de eventos. Hay que tener en cuenta una cosa importante. En análisis de rayos cósmicos es igualmente necesario para la detección de neutrinos, así como los rayos gamma en la superficie terrestre. No obstante, estos dos tipos de experimentos se tratarán en otras dos secciones separadas, una para detección de neutrinos y otra para detección y análisis de rayos gamma. En esta sección este tipo de fenómenos sólo interesan en la medida en la que producen lluvias de partículas que llevan a inferir que sobrepasan el límite GZK. Separamos así conceptualmente cosas que aunque experimentalmente están relacionadas, en la teoría representan ramas diferentes de investigación.

Experimentos en operación actualmente:

  • Observatorio Pierre Auger. Un observatorio híbrido en la Pampa Argentina, que analiza las lluvia de partículas por su interacción en tanques de agua y la radiación ultravioleta producida por estas en la entrada en la atmósfera terrestre. La página tiene una interesante sección de FAQ sobre el tema.
  • AGASA. Un gran observatorio con múltiples tanques de detección en la superficie y subteráneos (véase la figura que enlazé arriba del todo) de la Universidad de Tokyo.
  • ARGO-YBJ. Proyecto italiano de colaboración en el tibet.
  • KASKADE-GRANDE. Array de detectores superficiales y subterraneos en Karlsruhe (Alemania).
  • MILAGRO. Detector de la Universidad de Maryland.
  • Tibet AS-gamma. Proyecto de la Universidad de Tokyo en colaboración con China.
  • HESS. Proyecto Alemán en Namibia.
  • MAGIC. Proyecto Alemán en La Palma.
  • CHICOS. De la Unversidad de CalTech. Una red de detectores en un area extensas para poder medir básicamente desfases entre las llegadas de partículas elementales.
  • CROPS. De la universidad de Nebraska, de concepción similar al de arriba, con detectores localizados a lo largo del estado de Nebraska.
  • HiSPARC. Universidad de Nijmegen, similar al de arriba.
  • Los siguientes también son redes en areas extensas: NALTA, NYSCPT y WALTA.


  • Otros futuros observatorios como el LOFAR o el proyecto EUSO también analizarán rayos cósmicos por encima del límite GZK.

    Tengo previsto profundizar un poco mas sobre al menos uno de estos experimentos mencionados para ver con más detalle qué se mide y qué resultados se esperan encontrar.

    2 comentarios:

    Max dijo...
    Este comentario ha sido eliminado por un administrador del blog.
    Max dijo...

    Tal vez me salga un poco del tema pero hay algunas cosillas que desearía saber.
    ¿En los primeros instantes del universo existía radiación electromagnética de frecuencia muy superior a la de los rayos gamma?

    Quizás no pueda comprender la respuesta a mi siguiente pregunta, no obstante haré mi mayor esfuerzo.
    ¿En qué consiste concretamente la "simetría de campos"? ¿Porqué se dice, por ejemplo, que los campos gravitatorio y electromagnético no son simétricos?

    Se dice que en la era de Planck existía una única fuerza de interacción unificada.
    Se ha comprobado que en las muy altas energías la fuerza nuclear débil y la fuerza electromagnética tienden a unificarse.
    ¿en qué consiste concretamente esa unificación? ¿Las ecuaciones de onda o los espines de los cuantos correspondientes se igualan?

    ¿Si en un acelerador de partículas se obtuvieran energías iguales a las que había en la era de Planck, se unificarían las cuatro fuerzas? ¿Es esto posible al menos en teoría?