Los rayos cósmicos son partículas cargadas creadas fuera del sistema solar. ¿Por qué, entonces, los llamamos rayos? La razón es porque la detección de rayos cósmicos comenzó mucho antes que pudiéramos imaginarnos como eran realmente.
Originalmente se pensó que eran un tipo de radiación electromagnética, es decir compuesta de fotones, como los rayos X o los rayos gamma. Con las primeras mediciones, realizadas en 1912 por Victor Hess con un globo, aprendimos que “una radiación con un gran poder penetrante entra en nuestra atmósfera desde arriba,” lo cual excluye al sol como su fuente. Años después, descubrimos que esta “radiación” era de hecho partículas cargadas, ya que observamos que los rayos cósmicos son desviados por campos magnéticos. Los fotones son partículas neutras y no son desviados por campos magnéticos.
Los rayos cósmicos son muy abundantes, y continuamente llegan a cada esquina de la Tierra y del espacio exterior. Detectar unos cuantos rayos cósmicos no es nada difícil. Lo puedes hacer fácilmente con una cámara de niebla hecha en casa o incluso con tu teléfono celular.
Sin embargo, si los quieres usar para explorar el universo extremo y lejano, necesitas detectar rayos cósmicos de muy alta energía, y debes medir sus propiedades detalladamente. Para esto, los científicos han inventado todo tipo de telescopios, localizados la Tierra y en el espacio. IceTop y IceCube son detectores de rayos cósmicos inmensos. Su tamaño, ubicación y diseño les permiten observar rayos cósmicos en casi todo el Hemisferio Sur durante todo el día. IceCube es también un telescopio de neutrinos.
¿Qué es un rayo cósmicos de alta energía?
La mayoría de los rayos cósmicos galácticos tienen energías entre 100 MeV y 10 GeV. Si esos rayos cósmicos son protones, que lo son la mayoría del tiempo, viajan a velocidades entre el 45% y el 99.6% de la velocidad de la luz. Los rayos cósmicos con menos energía, que son los mas abundantes, son usualmente estudiados con pequeños detectores en globos y satélites.
Cuando los rayos cósmicos de alta energía interactúan con la atmosfera de la Tierra, se crea una cascada atmosférica de partículas que se pueden detectar en la tierra. Estos sucesos son mucho menos usuales, ya que el flujo de rayos cósmicos disminuye rápidamente a medida que la energía incrementa, y las partículas secundarias de la cascada se despliegan sobre extensas áreas en la superficie. Se usan matrices de detectores terrestres, operados durante largos periodos de tiempo, para estudiar los rayos cósmicos con energías alrededor y por encima de los 100 TeV.
Aunque que ya conocemos bien los rayos cósmicos de baja energía, los orígenes de los rayos cósmicos de alta energía han sido un enigma científico durante más de cien años. A medida que estudiamos las propiedades de los rayos cósmicos de alta energía, esperamos aprender más acerca de sus fuentes y sobre los procesos físicos que permiten a la naturaleza acelerar partículas a energías un millón de veces superiores a las alcanzadas por los aceleradores de partículas construidos por el ser humano.
Midiendo los Rayos Cósmicos con IceTop
IceTop es una matriz Cherenkov, que consiste en 162 tanques de hielo que detectan partículas cargadas secundarias en cascadas de rayos cósmicos. IceTop detecta en estas cascadas electrones, fotones, muones, y hadrones cargados gracias a la luz azul, llamada luz de Cherenkov, que producen cuando cruzan del detector. Estas partículas relativistas viajan a través de los tanques congelados a velocidades más rápidas que la velocidad de la luz en el hielo.
Una cascada de rayos cósmicos típica se desplegará sobre un cierto número de tanques de IceTop. La luz generada en cada tanque permite estimar la energía de las partículas secundarias entrantes. La información en toda la matriz se puede usar para modelar la forma e intensidad de la cascada, y a partir de aquí estimar la energía y dirección de los rayos cósmicos entrantes.
La mayoría de las partículas de la cascada atmosférica serán absorbidas cuando lleguen a la superficie de la Tierra, pero los muones pueden viajar varios kilómetros en el hielo. IceCube, que está debajo de IceTop a profundidades entre 1,5 y 2,5 kilómetros, también detectará muones provenientes de la cascada atmosférica.
Debido a la configuración del detector IceTop y a su posición a 2.835 metros de altitud en el Polo Sur, podemos estudiar los rayos cósmicos de entre alrededor de 100 TeV y hasta unos pocos EeV. Esta región es de especial interés, ya que cubre la transición entre rayos cósmicos galácticos y extragalácticos (ver figura superior).
Los rayos cósmicos galácticos y extragalácticos no solo muestran diferentes rangos de energía, sino también diferencias en la composición química de la radiación cósmica primaria.
Podemos investigar la composición de la masa de los rayos cósmicos para energías entre 100 TeV y 1 EeV comparando las mediciones de las energías de las cascadas obtenidas por IceTop – incluyendo los electrones, protones, muones y hadrones cargados en la cascada – con las mediciones obtenidas por IceCube, basadas en muones. Se espera que la proporción entre rayos cósmicos pesados – como los núcleos de hierro – y rayos cósmicos ligeros–como los protones – muestre una patrón característico en la transición de fuentes galácticas a extragalácticas.
Se espera que la radiación cósmica extragaláctica sea visible primero en el espectro de energía de las partículas ligeras, ya que estas serán las primeras partículas en dejar su galaxia. La imagen superior esta basada en un gráfico de KIT (link).
IceTop también puede medir el espectro de energía de los rayos cósmicos alrededor y por encima de la rodilla, hasta el tobillo. Los resultados en el rango de energía entre 1,6 PeV y 1,3 EeV muestran una desviación de una ley de potencia simple, como se espera de una mezcla de fuentes galácticas y extragalácticas. Indagar en esta estructura nos permitirá aprender más acerca de los primeros componentes extragalácticos en el flujo de rayos cósmicos.
Aparte de las propiedades de los rayos cósmicos, los detalles en la distribución de la dirección de la llegada de los rayos cósmicos pueden ayudarnos a entender los interiores de nuestra galaxia. IceTop y IceCube han hecho por primera vez mapas de la anisotropía de los rayos cósmicos en el hemisferio sur. Las anisotropías en la dirección de llegada de los rayos cósmicos de alta energía se había observado antes en diferentes detectores en el hemisferio norte. El origen de estas anisotropías no se conoce bien, pero los científicos han creen están relacionadas con los campos magnéticos en el Sistema Solar o en otras fuentes cercanas.
