Mensajeros cósmicos I: rayos cósmicos

Cargas eléctricas iguales se repelen y cargas opuestas se atraen, es un principio de electrostática que aprendemos en la escuela. La manera en que dos cargas eléctricas interaccionan fue descubierta en el siglo XVIII por el físico francés Charles-Augustin de Coulomb y es equivalente a la ley de gravitación universal de Newton para cargas eléctricas, hoy le llamamos ley de Coulomb.
Nuestra historia de misterio comienza con un dispositivo diseñado para medir la carga eléctrica de un objeto, llamado electroscopio. Este simple aparato consiste en dos delgadas láminas metálicas que cuelgan de una barra dentro de un recipiente transparente. Cuando un cuerpo cargado eléctricamente se acerca a la barra metálica, el exceso de carga eléctrica se distribuye en las láminas, las que al cargarse del mismo signo se separan debido a la mutua repulsión eléctrica, de acuerdo a la ley de Coulomb. Cuando el electroscopio se descarga (al conectar la barra a tierra), las láminas pierden su exceso de carga y con ello su mutua repulsión por lo que se juntan nuevamente. Es un aparato tan sencillo que cualquiera puede construirlo en su casa; recuerdo haber pasado con fascinación muchas tardes jugando con mi propio electroscopio cuando niño ya que es lo más cercano a un truco de magia (lo recomiendo).

electroscopio

En 1785, Coulomb hizo una inquietante observación: luego de cargar un electroscopio y aislarlo, este debería permanecer cargado (con sus láminas separadas), sin embargo era común ver que al esperar lo suficiente las láminas se acercan lentamente indicando que la carga eléctrica en exceso desaparece. Así como la energía se conserva (no se crea ni destruye, sólo se transforma), la carga eléctrica no puede desaparecer, debe ir a algún lado.
Durante el siglo XIX los fenómenos eléctricos y magnéticos condujeron a una revolución en la física; uno de sus protagonistas fue el inglés Michael Faraday, a quien debemos el principio básico del generador de electricidad y el motor eléctrico (además de una impresionante lista de invenciones y descubrimientos) que conducirían al desarrollo industrial moderno. En 1835 Faraday fabricó electroscopios con mejor aislación que los usados por Coulomb medio siglo antes y verificó su observación de la llamada descarga espontánea de un electroscopio. Faraday propuso que la única manera de comprender este fenómeno era suponiendo que el ambiente debía estar rodeado de algún tipo de flujo de partículas cargadas moviéndose por el aire que permitían la descarga del electroscopio. Sin embargo su solución al problema no explica la naturaleza de ese «flujo de partículas cargadas». Electroscopios fueron llevados a profundas minas subterráneas y túneles, donde se comprobó que allí también se producía la descarga espontánea.

A fines del siglo XIX uno de los grandes desarrollos de la física fue el descubrimiento de la radiactividad. En su intento por comprender el motivo por el cual ciertos elementos químicos como el uranio o el torio emitían radiación, en 1898 Marie Curie propuso que el cosmos estaría lleno de radiación de alta energía que era absorbida por elementos pesados en la Tierra (como el uranio y el torio) lo que generaba su radiactividad. Esta descripción de la radiactividad resultó ser incorrecta, sin embargo la visionaria idea de Madamme Curie al imaginar radiación de alta energía en el cosmos resultaría correcta por motivos completamente diferentes.

Volviendo al electroscopio, el estudio de la radiactividad daría los esposos Curie el Premio Nobel de Física en 1903 y no pasó mucho tiempo hasta que a alguien se le ocurrió ver si estos elementos afectarían la descarga de electroscopio. Así fue como el canadiense Robert Duncan descubrió que una fuente radiactiva podría descargar rápidamente un electroscopio a través del aire, sin contacto. Esto llevó al neozelandés Ernest Rutherford, quien más tarde descubriría el núcleo atómico y se convertiría en el padre de la física nuclear, a proponer un posible origen al flujo de partículas cargadas propuestas por Faraday: las rocas de la Tierra con sus diferentes elementos producen radiactividad natural en la forma de radiación que emanaría del suelo, se movería a través del aire y neutralizaría la carga en el electroscopio descargándolo. Al fin había una posible respuesta que tenía sentido. Sin embargo en física una hipótesis que tenga sentido no es suficiente y no necesariamente es la respuesta correcta. Otras ideas también fueron propuestas, por ejemplo, el genial Nikola Tesla sugirió que la radiación propuesta por Faraday era producida por el Sol y llegó incluso a patentar en 1901 un aparato que haría uso de esta radiación para generar electricidad.

Para medir la hipotética radiación proveniente del suelo se propuso cargar un electroscopio y medir el tiempo que demora en descargarse espontáneamente; según la hipótesis, a mayor altura (más lejos de la Tierra) debería haber menos radiación y por lo tanto el electroscopio se descargaría más lentamente, a menor altura (más cerca de la Tierra) habría más radiación y el electroscopio se descargaría más rápido. La carrera por medir esta radiación que emanaba de la Tierra había comenzado y físicos alrededor del mundo se lanzaron a construir electroscopios cada vez más precisos para medir su tiempo de descarga espontánea a diferentes alturas. En Alemania el físico y sacerdote jesuíta Theodor Wulf se hizo famoso por construir los mejores electroscopios y además los perfeccionó para hacerlos fácilmente transportables. En 1909 Wulf estaba de viaje en París y llevó consigo su mejor electroscopio; subió a lo alto de la Torre Eiffel para realizar mediciones sin embargo los 300 metros de altura no fueron suficientes para medir un cambio significativo.

Con la aviación todavía en pañales, los vuelos en globo eran la única manera de realizar mediciones científicas a gran altura. El obvio siguiente paso sería volar en globo llevando un electroscopio, a lo que varios valientes se arriesgaron. En Alemania en 1909 el físico Karl Bergwitz llegó hasta una altura de 1300 metros y Albert Gockel en Suiza llegó a los 3000 metros, pero sus mediciones no fueron conclusivas. Incluso a esa altura la radiación parecía no disminuir, lo que tenía de cabeza a la comunidad científica de la época.

En Italia el físico Domenico Pacini tuvo una ingeniosa idea: en vez de buscar una gran altura para alejarse del suelo, Pacini hizo sus mediciones en un barco al medio de un profundo lago, donde el suelo está bastante lejos (al fondo del lago) y por lo tanto sería equivalente a hacer las mediciones a gran altura. También llevó un electroscopio al mar en su barco. Sus resultados mostraron que sin importar cuán lejos estuviese de la costa, el electroscopio se descargaba de la misma forma. A la radiación parecía no importarle lo lejos que estuviese del suelo por lo que Pacini consideró que la radiación no provenía del suelo sino que del cielo. Convencido de que la radiación no tenía su origen en la Tierra, en 1910 Pacini estudió el posible cambio de la radiación durante el paso del cometa Halley, sin embargo no hubo diferencia alguna y el cometa fue descartado como una explicación.

Victor Hess

El misterioso origen de la radiación que descargaba el electroscopio no revelaba su naturaleza tan fácilmente y muchos valientes siguieron realizando mediciones en profundos lagos y a grandes alturas, hasta la llegada del más obstinado de todos. En 1911 el arriesgado físico austriaco Victor Hess realizó seis vuelos a diferentes alturas sin resultados concretos. Frustrado se dio cuenta que a única solución parecía ser llevar un electroscopio más y más alto, sin embargo debido a las condiciones de la atmósfera y en especial la falta de oxígeno, viajes en globo a más de 3000 metros sin equipos especiales para la respiración eran casi un suicidio.
En 1912, con un gran espíritu de aventura, además de pasión y curiosidad por conocer la respuesta, Hess decidió arriesgarse y reclutó a un par de osados viajeros: un globero y un meteorólogo. En vez de los típicos globos usados hasta entonces, Hess tomó medidas drásticas y junto a su tripulación ascenderían en un globo inflado con más de 1600 m³ de peligroso y altamente inflamable hidrógeno. Además las mediciones serían realizadas con tres diferentes electroscopios. A las 6:20 de la mañana del 7 de agosto Hess se embarcó en su séptimo viaje, el que lo dejaría en los libros de la historia de la física. En el ascenso Hess cargaba los electroscopios y medía el tiempo de descarga espontánea, mientras ascendían repetía la medición una y otra vez. A las 8:30 se encontraban a 3000 metros, 45 minutos más tarde alcanzarían los 4500 metros. Después de cuatro horas y media de vuelo, Hess y sus instrumentos llegaron hasta aterradores 5350 metros de altura. Con gran cuidado y dedicación, y probablemente con una sonrisa en la cara, Hess registró cómo cambiaba la cantidad de radiación al alejarse de la tierra. Allí comenzaron el descenso, aterrizando Brandeburgo en las afueras de Berlín pasado el mediodía.

Victor Hess al comienzo de uno de sus famosos vuelos

Hess finalmente logró medir un cambio significativo de la cantidad radiación con la altura, sin embargo al ver sus datos recolectados no tuvo uno de esos ficticios momentos de gritar ¡eureka! sino que al contrario tuvo uno de esos momentos de asombro que marcan un gran descubrimiento, los cuales van probablemente acompañados de una fuerte interjección: Hess descubrió que a mayor altura sus electroscopios se descargaban más rápido, es decir, mientras más se alejaba del suelo mayor era la radiación que descargaba sus instrumentos. Este resultado contradecía completamente la hipótesis original. Tratando de hacer sentido a sus mediciones y de cierta manera de acuerdo a las ideas de Pacini, Victor Hess se arriesgó a anunciar que la radiación que descarga los electroscopios no proviene de abajo sino que de arriba, esta radiación compuesta por las partículas cargadas propuestas por Faraday no tendría su origen en la Tierra sino que vendrían del cosmos y bombardearían continuamente nuestra atmósfera. Hess había descubierto la existencia de una radiación cósmica y tenía los datos experimentales que lo demostraban. La hipótesis y los resultados de Hess fueron después confirmados independientemente por muchos otros arriesgados físicos que volaron hasta más de 9000 metros, mostrando que la intensidad de la radiación seguía aumentando con la altura.

Con el descubrimiento de esta radiación cósmica Hess se convirtió en una celebridad aunque generaba también muchas preguntas: ¿de dónde proviene esta radiación? ¿qué es esta radiación, son partículas de luz o de materia? ¿cuál es su energía? Mirando al cielo, la fuente más obvia era el Sol y la hipótesis de Tesla comenzó a popularizarse. El mismo Hess se arriesgó en peligrosos viajes en globo durante la noche para poner a prueba esta hipótesis, demostrando que la radiación era la misma día y noche. Más tarde y volando en globo durante un eclipse solar Hess confirmó que el Sol no podía ser la fuente de la intensa y energética radiación del cosmos, su origen seguía siendo un misterio.

Robert Millikan

Aunque el descubrimiento y estudio de la radiación cósmica se realizaba principalmente en Europa, la Primera Guerra Mundial impidió gran parte de la cooperación internacional entre científicos y en Estados Unidos un afamado físico experimental comenzó a ganar protagonismo. Después de la Primera Guerra el estudio de la radiación cósmica se trasladó a EEUU, donde Robert Millikan era un reconocido físico experimental por su medición de la carga eléctrica del electrón. Millikan era un ferviente defensor de la naturaleza ondulatoria de la luz y por años criticó el concepto de fotón introducido por Einstein en 1905. Tanto era su descontento con la idea de corpúsculos de luz que se dedicó a realizar muchos experimentos para demostrar que la fórmula del efecto fotoeléctrico de Einstein era errónea.  Al contrario, Millikan demostró que la fórmula de Einstein está en completo acuerdo con los experimentos. La ironía es que con esto Einstein obtuvo el Premio Nobel en 1921 y Millikan el Premio Nobel en 1923. Millikan tenía una gran influencia política y mediática, era también el director del importante Laboratorio de Física del Instituto Tecnológico de California (Caltech) por lo que esta institución se convirtió en uno de los polos de estudio de la radiación cósmica. Cuenta la leyenda que Millikan repitió muchos de los experimentos de Hess y Pacini sin mencionarlos por lo que se llevó mucho del crédito, aunque sus resultados eran conocidos en Europa 10 años antes.
Usando la reciente tecnología de transmisión de datos de la época, Millikan desarrolló electroscopios que podían volar en globos a gran altitud sin necesidad de personas realizando la medición. Así llegó hasta 15.000 m de altura donde encontró sólo un 25%
de la radiación reportada por Hess. Con su característico estilo, en la reunión anual de la Sociedad Americana de Física (APS) en 1925 anunció sus resultados indicando que la radiación cósmica no existía; con toda la autoridad de un poderoso y respetado físico experimental que acababa de ganar el Premio Nobel refutó la idea de Hess señalando: «toda esta radiación tiene un origen local». Esta declaración generó mucho impacto, pocos se atrevían a contradecir a una eminencia como Millikan. Su principal detractor fue Arthur H. Compton, un brillante físico experimental que dos años más tarde (en 1927) recibiría el Premio Nobel por el descubrimiento del efecto que lleva su nombre y que confirmó la naturaleza corpuscular de la luz propuesta por Einstein. Este descubrimiento constituyó evidencia concreta de que la luz tiene propiedades de onda y de partícula, por lo que Compton y sus experimentos jugaron un rol fundamental en el establecimiento de la física cuántica. En la famosa imagen del Congreso de Solvay de 1927 aparece sentado detrás de Einstein.

Millikan siguió realizando experimentos a grandes alturas que lo llevaron desde profundos lagos en California hasta la cordillera de Los Andes en Bolivia. Más tarde cambiaría drásticamente de opinión: repitiendo los experimentos de Pacini bajo el agua concluyó que debería existir una radiación en toda la atmósfera a la que llamó rayos cósmicos (término usado hasta hoy). A pesar de haber re-descubierto la radiación conocida desde la medición de Hess en 1911 y repitiendo los experimentos de Pacini, Millikan le hizo tanta publicidad a «su descubrimiento» que los medios de la época en EEUU se referían a «los rayos de Millikan» así como hoy los medios hablan de partículas divinas.

En 1928 los medios se deleitaban publicitando los energéticos «rayos de Millikan»

En Europa, Hess y Pacini muy molestos escribieron varios artículos tratando de recuperar el crédito que con esfuerzo habían ganado una década antes y que ahora les quitaban desde el otro lado del Atlántico.

Millikan en portada

En EEUU los medios celebraban este «triunfo de la ciencia estadounidense» y el «descubrimiento» llevó a Millikan hasta la portada de la afamada revista Time. Esta controversia generó varios artículos y cartas en los que se intentaba aclarar que los resultados de Millikan simplemente confirmaban el descubrimiento de Hess y los varios valientes que siguieron sus pasos en peligrosos vuelos en globo a gran altura. Mientras, Millikan contaba a los medios sus aventuras acarreando equipos científicos para realizar sus mediciones en Los Andes, en profundos lagos en California y con globos en Texas.

Volviendo a la física, Millikan no sólo bautizó a los rayos cósmicos, también se atrevió a formular que éstos no son partículas de materia y defendía la idea de que los rayos cósmicos eran simplemente rayos gamma, es decir, fotones de alta energía y no partículas cargadas. Varios años pasaron antes de confirmar la naturaleza de los rayos cósmicos ya que si Millikan decía que eran fotones, entonces debían ser fotones. Si se trataba de rayos cósmicos Millikan tenía la última palabra.

Ajeno al mundo de los rayos cósmicos, un estudiante de Rutherford llamado Hans Geiger trabajaba en física nuclear. Ante la necesidad de distinguir partículas cargadas eléctricamente en su laboratorio, el maestro le encargó a su pupilo construir un detector especial. Más tarde Geiger perfeccionó este detector junto a Walther Müller, su primer estudiante. Juntos inventaron un dispositivo para detectar partículas cargadas. Este es el famoso contador Geiger-Müller que se usa hasta nuestros días y que emite el característico sonido cuando detecta radiación ionizante. Este invento fue una sensación inmediata y comenzó a usarse en laboratorios alrededor del mundo. En 1929 se confirmó que los rayos cósmicos activaban el contador Geiger, lo que permitió al fin confirmar que deberían ser partículas de materia con carga eléctrica y no las partículas de luz (fotones) que Millikan defendía apasionadamente. Al mismo tiempo, el ruso Dmitri Skobeltsyn se dedicó a estudiar rayos cósmicos usando una cámara de niebla y observó que la trayectoria de los rayos cósmicos se curva en la presencia de un campo magnético, prueba irrefutable de que poseen carga eléctrica (y por lo tanto no son fotones). Skobeltsyn también observó que algunos electrones se curvaban en la dirección opuesta a la esperada, como si tuviesen carga positiva pero lamentablemente interpretó esto como un error experimental probablemente debido a que el campo magnético estaba al revés (esta errónea interpretación le costó el Premio Nobel). Estas observaciones serían suficientes para resolver el misterio, pero muchas veces la física avanza gracias a los incansables cuestionamientos de gente muy testaruda e inteligente como Millikan. Siendo un hueso duro de roer y con orgullo por su hipótesis, Millikan aceptó la evidencia presentada sin embargo planteó una interesante idea: si los rayos cósmicos tuviesen suficiente energía entonces producirían nuevas partículas al colisionar con los átomos de la alta atmósfera, por lo tanto lo que observamos en todos estos experimentos terrestres no es el rayo cósmico inicial (llamado primario) sino que las partículas creadas en la colisión entre el primario y núcleos atómicos en la atmósfera. Así Millikan introdujo el concepto de lluvia de partículas secundarias (particle showers) que serían lo que se mide en experimentos en la superficie de la Tierra. Esta idea se usa hasta hoy y sirve como principio básico de los experimentos en el LHC que detectan la lluvia de partículas creadas al colisionar protones. Curiosamente, Georges Lemaître, famoso por sus estudios en cosmología, se interesó en los rayos cósmicos porque pensaba que eran los restos de la explosión que habría dado origen al Universo. Esta idea es incorrecta, pero su historia es muy interesante.

Millikan sabía que ir al espacio para realizar mediciones no era una opción realista en esos años por lo que mantuvo su postura de que los rayos cósmicos primarios podrían ser partículas de luz y no partículas de materia con carga eléctrica. Ante esta insistencia, Arthur H. Compton, ahora con la autoridad que le daba tener un Premio Nobel (1927) bajo el brazo, desafió a Millikan al proponerse confirmar si los rayos cósmicos tenían carga eléctrica. La gran dificultad era la presencia de la atmósfera que hace difícil el estudio del rayo cósmico primario. Compton tuvo la idea de escalar el experimento de Skobeltzyn y en vez de imanes usaría el campo magnético creado por la Tierra, el cual se extiende más allá de la atmósfera.

Arthur H. Compton feliz realizando experimentos al aire libre

La hipótesis de Compton era que si los rayos cósmicos primarios tienen carga eléctrica entonces serían desviados por el campo magnético terrestre, que es más intenso en los polos y más débil en el ecuador. Compton propuso buscar cómo cambia la intensidad de los rayos cósmicos a diferentes latitudes del planeta, para lo que en 1930 organizó una serie de expediciones, decenas de físicos realizaron mediciones alrededor del mundo. El resultado fue el pronosticado por Compton: en los polos la radiación cósmica es mayor que en el ecuador. El físico italiano Bruno Rossi y Compton (de manera independiente) propusieron también la hipótesis de que si los rayos cósmicos poseen carga positiva se observarían más llegando desde el oeste que del este, debido a la influencia del campo magnético terrestre. Esta asimetría este-oeste fue también observada, confirmando que los rayos cósmicos son partículas de materia con carga eléctrica, principalmente positiva. Los experimentos daban la razón a Compton sobre Millikan, y la revista Time lo celebró con otra portada, esta vez mostrando a un triufante Compton con un detector de rayos cósmicos en sus manos.

Con el reciente desarrollo de la física nuclear, ahora los físicos contaban con una fuente gratuita de radiación de alta energía para sus experimentos. Ya no serían necesarios los arcaicos tubos de vacío o fuentes radiactivas para bombardear muestras con iones y la física de rayos cósmicos dio origen a lo que hoy llamamos física de partículas. El rápido desarrollo, los muchos experimentos y la participación de lumbreras como Millikan y Compton atrajeron a muchos de los grandes experimentales de la época a trabajar en rayos cósmicos. Robert Millikan, quien finalmente aceptó que los rayos cósmicos (como él mismo los había bautizado) eran partículas cargadas y no partículas de luz, siguió con sus estudios así como la formación de nuevas generaciones de científicos. Uno de sus estudiantes de doctorado llamado Carl Anderson se dedicó a estudiar cuidadosamente las propiedades de los rayos cósmicos, en particular su masa y carga eléctrica. En 1930, año en que Wolfgang Pauli propuso el neutrino, Anderson tenía sólo 25 años y encontró, igual que Skobeltsyn años antes, que en un campo magnético rayos cósmicos con una masa similar a la del electrón se curvaban en la dirección opuesta a la esperada, como si fuesen electrones positivos. Sin embargo ante el temor de arruinar su carrera, Anderson prefirió no anunciar lo que parecía una nueva y exótica partícula y siguió estudiando sus propiedades cuidadosamente.

Trayectoria del primer positrón registrada por Anderson 1932.

En 1932 armado con una cámara de niebla en un campo magnético logró capturar un rayo cósmico con una trayectoria casi idéntica a la de un electrón (es decir con la misma masa) pero que se curvaba en la dirección opuesta, esto es una prueba irrefutable de la existencia de una nueva y exótica partícula similar al electrón pero con carga positiva: el positrón, la primera partícula de antimateria observada en la Tierra. El positrón (a veces llamado anti-electrón) había sido predicho por las matemáticas de Paul Dirac como una consecuencia de combinar la naciente mecánica cuántica con la relatividad especial de Einstein (ver ¿Qué es la antimateria?). En 1936 Victor Hess obtuvo el crédito que tanto merecía al recibir el Premio Nobel por el descubrimiento de los rayos cósmicos junto a Carl Anderson por el descubrimiento del positrón.

Más tarde en 1936, el mismo Anderson descubrió otra partícula, esta vez similar al electrón pero más masivo al que hoy llamamos muón. Varias nuevas partículas fueron descubiertas estudiando rayos cósmicos, incluyendo los piones (1947), kaones (1949) y otras que preservaron sus nombres como letras griegas: Lambda (1949), Xi (1952) y Sigma (1953). Los muones descubiertos por Anderson pueden observarse con otro montaje que puede realizarse en casa. Hace poco Symmetry Magazine publicó una guía para contruir una cámara de niebla casera que permite ver las estelas dejadas por muones creados por rayos cósmicos. El artículo ha sido traducido en Ciencia Kanija, por lo que no hay excusas para no construir un detector de partículas en casa para ver las trazas de los muones que nos «llueven» continuamente del cielo.

Por otro lado los físicos de partículas contaban con una nueva herramienta inventada por Ernest Lawrence en Berkeley en 1930: el ciclotrón. Aunque su primer acelerador de partículas podía sostenerse en la mano, estos aparatos crecieron rápidamente proporcionando haces de partículas con menos energía que los rayos cósmicos pero en un ambiente mucho más controlado. Lawrence educó a un ejército de físicos y técnicos que llevaron a la física de partículas desde experimentos en una mesa a colosales aceleradores que dieron origen a la Gran Ciencia.

Evolución del ciclotrón

Esto produjo una migración de físicos experimentales a esta nueva disciplina, los rayos cósmicos tenían mayor energía pero su fuente no podía controlarse contrario a los precisos experimentos que podían realizarse con los cada vez más poderosos aceleradores de partículas. En ambas disciplinas, rayos cósmicos y física de partículas, comenzaron a descubrirse más y más nuevas partículas llevando a un zoológico de partículas que comenzó a preocupar a los teóricos que debían explicar las muchas partículas que nadie esperaba.

Algunos entusiastas siguieron estudiando rayos cósmicos, en especial el francés Pierre Auger quien estaba intrigado con la idea de las lluvias de partículas secundarias sugeridas por Millikan. Varios experimentos mostraban que al colisionar con átomos en la atmósfera, nuevas partículas serían creadas las que se desintegrarían rápidamente en otras, generando así una cascada de partículas repartiéndose la energía del rayo cósmico inicial. La física de estas lluvias de partículas resultó bastante compleja y varios de los jóvenes genios de la época como J. F. Carlson, J. Robert Oppenheimer (sí, Oppie), Homi Bhabha, W. Heitler y Hans Bethe desarrollaron las matemáticas necesarias para su estudio teórico y experimental.

Pierre Auger

Pierre Auger obtuvo su doctorado en 1926 estudiando el efecto fotoeléctrico y se hizo conocido por descubrir una extraña emisión de electrones en materiales los que hoy se denominan electrones de Auger. Lamentablemente el crédito debería ser para Lise Meitner, quien descubrió el mismo fenómeno años antes; otra injusticia en contra de la gran Meitner, que se suma a su merecido Premio Nobel que nunca recibió a pesar de las 48 nominaciones recibidas por el Comité Nobel.

Estudiando rayos cósmicos, Auger descubrió que dos contadores Geiger separados por unos metros se activaban simultáneamente con el paso de un rayo cósmico. Dado que un único rayo cósmico no podía activar ambos detectores, Auger interpretó esto inicialmente como una simple coincidencia, sin embargo al medir este efecto una y otra vez Auger se dio cuenta que esto no era un fenómeno aislado e imaginó que estos dos rayos cósmicos tenían un origen común. Auger luego imaginó que si un conjunto de varios detectores se distribuyen separados por unos metros la energía medida por cada uno podría después sumarse para reconstruir la energía del rayo cósmico inicial (primario). Para su sorpresa, Auger encontró que detectores separados incluso cientos de metros seguían detectado coincidencias por lo que las lluvias de partículas secundarias debían ser enormes depositando su energía en áreas muy extensas. La idea de Auger capturó la atención de la comunidad científica y siguiendo este principio varios conjuntos de detectores comenzaron a construirse en todo el mundo. Auger no sólo proporcionó un método para reconstruir las reacciones en la atmósfera, también encontró que muchos rayos cósmicos podían llegar a tener energías extremadamente altas, energías que jamás podrían reproducirse en un laboratorio (hasta nuestros días, incluso las colisiones de protones en el LHC parecen de juguete al lado rayos cósmicos ultraenergéticos que colisionan con la atmósfera). Esta energía sería distribuida entre las muchas partículas secundarias, sin embargo aún así muchas de estas partículas cargadas se moverían a velocidades formidables, incluso más rápido que la luz en agua o en el aire. Esto fue un descubrimiento sensacional ya que en 1934 los rusos Pavel Cherenkov, Igor Frank e Ilya Tamm habían demostrado que cuando una partícula cargada se mueve más rápido que la luz en un medio como el agua se emite un tipo especial de luz que permitiría determinar su trayectoria, energía y muchas propiedades que los físicos quieren medir (ver La majestuosa radiación de Cherenkov). De esta forma, combinando las ideas de Auger y Cherenkov, nacieron los conjuntos de decenas de detectores hechos con tanques de agua (llamados Water Cherenkov detectors) distribuidos en grandes areas para medir varias componentes de la lluvia de partículas y reconstruir el rayo cósmico primario.

representación artística de una lluvia de partículas sobre un conjunto de detectores

En 1952 el conocido productor Frank Capra produjo un entretenido corto para niños sobre la historia de los rayos cósmicos (al menos su primeros 50 años). Narrado en la forma de una historia de misterio la audiencia que cuestiona esta historia de detectives es nada más y nada menos que Edgar Alan Poe, Charles Dikens y Dostoyevsky (en forma de marionetas). El video incluye varias demostraciones, incluyendo una genial escena mostrando la descarga de un electroscopio con un trozo de uranio natural. Aunque está diseñado para niños, me hizo pasar un muy buen rato y gracias a Dostoyevsky las carcajadas están garantizadas (lamentablemente está en inglés, aunque tiene subtítulos).

Los rayos cósmicos constituyen mensajeros cósmicos que nos traen noticias de remotas zonas del universo, su carga eléctrica permitió identificar la mayoría de sus propiedades, sin embargo esto es también un problema. Nuestra galaxia está repleta de complicados campos magnéticos que desvían las trayectorias de los rayos cósmicos, por lo tanto no es posible trazar su fuente original. Sólo los rayos cósmicos de más alta energía (llamados ultraenergéticos o UHECR por su sigla en inglés) son los que menos se ven afectados por estos campos magnéticos galácticos sin embargo los UHECR son muy escasos. Pierre Auger concluyó que la única manera de observar estos escasos UHECR y con ello aspirar a conocer sus fuentes era construyendo un conjunto de detectores abarcando miles de metros cuadrados de superficie, sólo así podría desarrollarse la astronomía de rayos cósmicos. Así aparecieron los observatorios de rayos cósmicos, los que siguiendo la idea de Auger están formados por muchos detectores distribuidos en grandes superficies. Algunos de los más importantes han sido el observatorio Volcano Ranch que funcionó en los años 50 en EEUU, el experimento Haverah Park en el Reino Unido con una superficie de 12 km² que funcionó entre 1967-1987 y el observatorio KASCADE en Alemania (a sólo metros del experimento KATRIN) que ha desarrollado nuevas tecnologías de detección.

KASCADE en Karlsruhe, Alemania

De histórico interés es un rayo cósmico que activó los detectores operados por la Universidad de Utah en una base militar en medio del desierto. La madrugada del 15 de octubre de 1991, el conjunto de detectores llamado Fly’s Eye observó un rayo cósmico con una energía de 320 exa-electronvoltios, esto es millones de veces más energéticos que los protones que colisionan en el LHC. Este es hasta la fecha el récord de energía observado y hace poco la revista Quanta Magazine le dedicó un excelente artículo: «The Particle That Broke a Cosmic Speed Limit.»

En el sigo XXI la física de rayos cósmicos está más vigente que nunca, hoy no sólo se estudian las lluvias de partículas secundarias en varios conjuntos en la superficie, detectores de rayos cósmicos también han sido instalados en satélites e incluso en la Estación Espacial Internacional, como es el caso del moderno experimento AMS-02. Siguiendo la idea de Auger, enormes conjuntos de detectores miden las propiedades de rayos cósmicos en los observatorios YangBaJing en el Tibet (China) y Telescope Array en el desierto de Utah (EEUU). Hace algo más de una década, líderes de este campo se unieron para formar una gran colaboración internacional con el objetivo de construir el más grande observatorio de rayos cósmicos, el que se terminó de construir en 2003 en la pampa argentina. Con 1600 detectores separados 1.5 km, este colosal instrumento cubre una superficie de 3000 km² y fue apropiadamente bautizado como Observatorio Pierre Auger.

Uno de los 1600 tanques de agua con detectores del Observatorio Pierre Auger

En sus más de 10 años en funcionamiento ha permitido el estudio de muchas otras propiedades, su composición así como detectado algunos de los más energéticos rayos cósmicos. Este observatorio sigue recolectando datos y sólo hace unos días se ha aprobado una extensión con nuevas tecnologías por lo que habrá Observatorio Pierre Auger al menos hasta el año 2025. El observatorio produjo un excelente video sobre los rayos cósmicos, su importancia y el trabajo que realizan en la pampa argentina llamado Voces del Universo.

En 2011 se celebraron los 100 años del descubrimiento de los rayos cósmicos; llevamos más de un siglo interrogando estas energéticas partículas que bombadean nuestro planeta continuamente sin embargo su origen es todavía un misterio. Claramente nos queda mucho por aprender de estos mensajeros del cosmos imaginados hace más de un siglo por la joven Marie Curie.

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Imágenes: American Physical Society, CERN, NobelPrize.org, KASKADE, Observatorio Pierre Auger.