Un Poco de Historia |
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Los Rayos Cósmicos de Alta Energía
La historia de la investigación de los rayos cósmicos es un relato romántico de aventura científica. Durante tres cuartos de siglo, investigadores de rayos cósmicos han escalado montañas, flotado sobre globos de aire caliente y viajado a los rincones lejanos de la tierra en su pesquisa por entender a estas partículas que se mueven velozmente desde el espacio. Sus exploraciones han resuelto misterios científicos-y revelado muchos más. El Proyecto Pierre Auger continúa la tradición al comenzar la búsqueda de la fuente desconocida de los rayos cósmicos de la más alta energía hasta ahora observados.
1912. En un globo a una altura de 5.000 metros Victor Hess, el padre de la investigación de los rayos cósmicos, descubrió una "radiación penetrante'' proveniente del espacio. El suyo fue el primero de muchos viajes audaces realizados por los físicos para estudiar los rayos cósmicos.
1929. Usando la recién inventada cámara de niebla, Dimitri Skobelzyn observó las primeras huellas fantasmales dejadas por los rayos cósmicos.
1932. Se desató un debate sobre la naturaleza de los rayos cósmicos. Según una teoría de Robert Millikan, ellos eran rayos gama del espacio-de allí el nombre "rayos cósmicos''. Pero fue creciendo la evidencia que los rayos cósmicos eran, en realidad, en su mayoría partículas energéticas.
1933. Mientras observaba las trazas de rayos cósmicos que pasaban a través de su cámara de niebla, Carl Anderson descubrió la antimateria bajo forma del anti-electrón, llamado más tarde positrón. Un positrón es una partícula exactamente igual al electrón pero con carga opuesta, positiva.
1937. Seth Neddermayer y Carl Anderson descubrieron la partícula subatómica llamada muón en los rayos cósmicos. El positrón y el muón fueron los primeros de una serie de partículas subatómicas descubiertas usando a los rayos cósmicos -descubrimientos que dieron lugar a la ciencia de la física de partículas elementales. Los físicos de partículas usaron los rayos cósmicos para su investigación hasta el surgimiento de los aceleradores de partículas en los años cincuenta.
1938. Pierre Auger, quien había ubicado detectores de partículas en las alturas de los Alpes, notó que dos detectores colocados a muchos metros de separación indicaron ambos la llegada de partículas exactamente al mismo tiempo. Auger había descubierto los "chubascos aéreos extendidos'', lluvias de partículas subatómicas secundarias causadas por la colisión de partículas primarias de alta energía con moléculas de aire. Sobre la base de sus mediciones, Auger concluyó que había observado chubascos con energías de 1015 eV -diez millones de veces más altas que cualquier conocida antes.
1949. Enrico Fermi propuso una explicación para la aceleración de los rayos cósmicos. En el acelerador de "choque'' para los rayos cósmicos imaginado por Fermi, los protones aumentan su velocidad al rebotar sobre nubes magnéticas que se mueven en el espacio. Se cree que estrellas que explotan (supernovas) actúan como tales aceleradores cósmicos, pero ellas solas no pueden dar cuenta de los rayos cósmicos de la más alta energía.
1962. El evento de Volcano Ranch.
El primer rayo cósmico con energía alrededor de 1020 eV fue detectado por John Linsley
en el arreglo de superficie del Instituto Tecnológico de Massachusets ubicado en Volcano
Ranch (Nuevo México, EEUU), en febrero de 1962. Este singular evento aumento en un factor
50 el extremo del espectro energético de los rayos cósmicos conocido hasta ese momento,
y fue el primer evento registrado con energía mayor o igual a 1020 eV. El
arreglo de Volcano Ranch consistía en 19 detectores de centelleo cubriendo un área de
aproximadamente 7 km2, y operó entre los años 1958 a 1972.
Para más información ver: J. Linsley, Phys. Rev. Lett., 10 (1963) 146.
1966. En los comienzos de los sesenta Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron que micro-ondas de baja energía permean el universo. Kenneth Greisen, Vadem Kuzmin y Georgi Zatsepin señalaron que los rayos cósmicos de alta energía interactuarían con el fondo de micro-ondas. La interacción reduciría su energía, de modo que las partículas que viajaran a través de grandes distancias intergalácticas no podrían tener enregías mayores de 5 x 1019 eV.
1991. El grupo de investigación de rayos cósmicos Fly's Eye (Ojo de Mosca) en los Estados Unidos observó un evento de rayo cósmico con una energía de 3 x 1020 eV. Algunos eventos con energías de 1020 eV habían sido encontrados en los 30 años anteriores, pero éste era claramente el más energético.
1994. El grupo AGASA en Japón presentó un evento con energía de 2 x 1020 eV. Los eventos de Fly's Eye y AGASA son mayores en energía que cualquiera visto antes. ¿De dónde vienen estos dos rayos cósmicos de alta energía? Ninguno parece apuntar hacia un objeto astrofísico que pudiera haberles impartido tales enormes energías.
1995. Un grupo internacional de investigadores empieza a diseñar estudios para un nuevo observatorio de rayos cósmicos, el Proyecto Pierre Auger, denominado así en honor al descubridor de los chubascos aéreos. El nuevo observatorio usará un arreglo gigante de detectores para detectar y medir grandes números de chubascos aéreos a partir de los rayos cósmicos de más alta energía. Trazando los rayos cósmicos de alta energía hacia su fuente desconocida aumentará la comprensión del origen y evolución del universo.
2001. El evento de AGASA. El evento de mayor energía reportado hasta
el presente (Agosto/2001) es el evento medido por el detector AGASA, ubicado en Japón,
en Mayo de 2001, con una energía asignada de 3,3 x 1020 eV.
Para la calibración de estos eventos se utilizo el programa AIRES , cuyo autor es
Sergio Sciutto, del Departamento de Física de la Universidad Nacional de La Plata,
quien ha dicho: "... esto demuestra que los Argentinos también somos parte de la ciencia,
y además de la ciencia de la mas avanzada frontera que existe al momento".
Antecedentes de los Rayos Cosmicos
Fue como si estuvieran cazando mariposas- y capturaron un F-111. No se suponía que ocurriera. Los investigadores de rayos cósmicos quedaron boquiabiertos cuando su detector ``Fly's Eye'' (ojo de mosca) en el alto desierto de Utah reveló una partícula proveniente del espacio con una energía seis veces mayor que lo que la teoría permitía. Dos años más tarde, en el otro lado del mundo, un detector japonés registró otro de estos eventos ``imposibles''. Estos dos rayos cósmicos documentados cuidadosamente, cuya energía es tan alta que desafía las explicaciones, han estimulado el esfuerzo por construir un nuevo detector suficientemente grande para capturar y estudiar muchas de estas partículas de alta energía, y tratar de descubrir de donde vienen}
El evento de Fly's Eye
Uno de los rayos cósmicos de más alta energía jamás detectado fue observado el 15 de octubre de 1991 por el detector Fly's Eye en Utah. Este detector está ubicado en el desierto de Dugway Proving Grounds a poco más de 100 kilómetros al sudoeste de Salt Lake City. El Fly's Eye detecta rayos cósmicos observando la luz que producen cuando chocan con la atmósfera. Cuando un rayo cósmico de extremadamente alta energía entra en la atmosfera, colisiona con un núcleo atómico y comienza una cascada de partículas cargadas que producen luz al correr a través de la atmósfera. Las partículas cargadas de un chubasco aéreo de rayo cósmico viajan juntas a una velocidad muy próxima a la de la luz, de modo que los detectores de Utah ven un punto fluorescente que se mueve rápidamente a lo largo de una línea a través de la atmósfera. Midiendo cuanta luz proviene de cada etapa del chubasco aéreo, se puede inferir no sólo la energía del rayo cósmico sino también si era más probablemente un simple protón o un núcleo más pesado. Los investigadores de Utah midieron la energía del inusual evento de rayo cósmico de 1991 como siendo 3,2 x 10 20 eV. Quedaron pasmados por su observación. Habían creido previamente que partículas tan energéticas no podían existir en el universo, porque la teoría decía que las partículas perderían rápidamente su energía en colisiones con la radiación universal de micro-ondas, residuo del Big Bang (gran explosión). Así que las partículas de muy alta energía presentan ahora un misterio cósmico que ha reunido una colaboración mundial para empezar a planificar el nuevo vasto detector denominado Observatorio de Rayos Cósmicos Pierre Auger.
El evento de Rayo Cósmico de AGASA
 Akeno |
Akeno, Japón, un pueblo alrededor de 120 kilómetros
al oeste de Tokyo, es el asiento del mayor arreglo de superficie
en el mundo para detectar chubascos aéreos de rayos cósmicos
de muy alta energía. El Arreglo Gigante de Chubascos Aéreos
(AGASA por sus iniciales en inglés) consiste en 111 detectores
de partículas distribuidos con una separación de alrededor
de 1 kilómetro sobre una superficie de 100 kilómetros
cuadrados. Cada detector ocupa una pequeña cabaña
de 2,2 metros cuadrados de área. La construcción del
arreglo comenzó en 1987; ha estado midiendo chubascos aéreos
de rayos cósmicos desde su terminación en 1991. El
3 de diciembre de 1993 el arreglo de AGASA registró un chubasco
aéreo muy grande. Este evento muy especial fue particularmente
bien medido porque el chubasco aéreo cayó completamente
adentro del arreglo de detectores y llegó desde una dirección
prácticamente vertical. Este chubasco aéreo fue producido
por un rayo cósmico de energía de alrededor de 2 x
1020 eV. Este es el rayo cósmico de mayor energía
observado por AGASA y, como el evento de Fly's Eye en Utah, tiene
una energía bien por encima de lo esperado desde cualquier
fuente conocida. |
Detectores del arreglo de AGASA |
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El Comienzo del Proyecto Pierre
Auger
Un estudio de seis meses por 140 científicos de 15 países ha diseñado un detector para estudiar los rayos cósmicos de alta energía, cuyo origen es todavía desconocido.
Un grupo internacional de 140 físicos e ingenieros centralizado en el laboratorio del Acelerador Nacional Fermi (Fermilab) a 50 kilómetros al oeste de Chicago, ha completado el diseño del detector para el observatorio de rayos cósmicos Pierre Auger, para estudiar los rayos cósmicos de más alta energía observados sobre la tierra. Denominado en honor al físico francés Pierre Auger, quien en 1938 fue el primero en detectar los chubascos aéreos producidos por rayos cósmicos de alta energía, el proyecto tratará de identificar la fuente desconocida de los rayos cósmicos de más alta energía que llegan a la atmósfera. El grupo de diseño recibe apoyo del Fermilab, la Asociación para la Investigación en las Universidades y la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos, UNESCO y la Fundación Grainger. El Proyecto Pierre Auger comenzó como un taller de seis meses el 30 de enero de 1995. Durante el taller, un grupo central de alrededor de 10 científicos trabajaron en el Fermilab. El resto de los cerca de 140 participantes fue al Fermilab para encuentros, pero trabajó fundamentalmente en sus propias instituciones, comunicándose electrónicamente en un "taller sin paredes''. En octubre de 1995 el Grupo de Diseño publicó, en forma de libro, una descripción del detector de rayos cósmicos del Proyecto Pierre Auger. El informe explica la motivación científica del proyecto y presenta un diseño técnico, una visión de los posibles sitios y una estimación de costos. El informe de diseño servirá como base para una propuesta de solicitud de fondos de los paises participantes. Hasta el momento los miembros del Proyecto Pierre Auger vienen de Alemania, Argentina, Armenia, Australia, Brasil, China, Egipto, Estados Unidos, Francia, Italia, Japón, Reino Unido, Rusia, Sudáfrica, Suecia y Vietnam. Una vez que se haya asegurado el financiamiento, el Proyecto Auger formará una colaboración para construir y operar los detectores, dos arreglos de 3.000 kilómetros cuadrados, uno en el hemisferio sur y otro en el norte. El grupo espera estar listo para observar los chubascos aéreos de rayos cósmicos de alta energía del nuevo milenio.
Historia de los Rayos Cosmicos en Argentina
Podría decirse que el estudio de los rayos cósmicos comenzó, en la Argentina, hace medio siglo. Efectivamente, tenemos constancia de la construcción de un refugio en la cordillera de Los Andes en las laderas del cerro Laguna, vecino del volcán Maipo, a cuyos pies se encuentra la muy bella laguna del Diamante.
J.G.Roederer J.J.Giambiagi
Plaza de Mulas, 4350 msnm, 1950
Desgraciadamente el plan original de construcción de un observatorio, consistente en 30.000 detectores Geiger emplazados a lo largo de 2 km2 fue fallido pues nunca fue realizado. El refugio sirvió sin embargo para estudios de avanzada con placas nucleares que se expusieron a la radiación por grupos no ligados al emprendimiento original. En estas experiencias participó, entre otros, el Dr. Juan G. Roederer durante el verano 1950/51, cuando este maestro de muchos físicos argentinos era aún alumno de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (FCEyN) de la UBA.
Aparte de estos estudios con placas nucleares, hay otros numerosos antecedentes de valiosas inquietudes científicas de investigadores argentinos sobre radiación cósmica en la década del 50. Quisieramos descatar como pioneros en este campo a los Dres. Juana M. Cardoso, Adulio Cichini, Beatriz Cougnet, Horacio Ghielmetti, Emma V. Pérez Ferreira, Juan G. Roederer y Pedro Waloschek quienes realizaron tareas en el Laboratorio de Placas Nucleares de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA). Con posterioridad fue creado el Centro Nacional de Radiación Cósmica (actualmente el Instituto de Astromía y Física del Espacio, IAFE) establecido en la FCEyN de la UBA por convenio con la CNEA y en 1960 fue nombrado como su Director su fundador, el Dr. Roederer.
Durante estas primeras épocas brillantes de estudios sobre rayos cósmicos en Argentina se realizaron expediciones científicas a Puente del Inca, el Aconcagua, los Nevados del Aconquija, Cueva de Indios y el Lanin. También hay constancia de otros experimentos en la Provincia de Mendoza en: Villa Eva Perón, a 3.150 m sobre el nivel del mar, en Uspallata, a 1.800 m y en la ciudad de Mendoza a 747 m, publicados en 1954 en la revista Mundo Atómico por Juana María Cardoso, de la CNEA. Las investigaciones fueron hechas a distintas latitudes y alturas para estudiar el efecto de ambas en la radiación cósmica.
 J.G.Roederer y otros Cerro Laguna, 3600 msnm, Año 1951 |
El Profesor James Cronin, Director General del Observatorio Pampa Amarilla y premio Nobel de Física 1980, conoce estos antecedentes argentinos, pero tal vez más importante aún es que sean conocidos por los científicos y técnicos de este país y por sus habitantes en general por ser parte de sus raíces. La tradición y el protagonismo científico en éste y otros temas relacionados han sido las razones fundamentales para que se eligiera a nuestro país en lugar de otros del Hemisferio Sur para instalar el nuevo Observatorio.
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Dr. Alberto Etchegoyen, Director del Observatorio del Hemisferio Sur del Proyecto Pierre Auger CNEA y CONICET
Pierre Auger Visito la Argentina...
"Louis Leprince-Ringuet y Pierre Auger visitarón la Argentina en 1933"
"Louis Leprince-Ringuet, un experto en rayos cósmicos y gran científico francés. Murió el 23 de diciembre de 2000, pocos meses antes de cumplir los 100 años..."
En 1933, Leprince-Ringuet junto con Pierre Auger se embarcó en Hamburgo, Alemania, con rumbo a Buenos Aires, Argentina, con 100 detectores de partículas a bordo. En esos tiempos, la naturaleza de los rayos cósmicos era desconocida. Partículas cargadas, de naturaleza diferente a los rayos gama, son desviadas por el campo magnético de la Tierra, el cual varía con la latitud. Auger y Leprince-Ringuet confiaban, sin embargo, en que estudiando la variación de la intensidad de los rayos cósmicos con la latitud pudiera revelarse cuál era su naturaleza...
Después de varios experimentos junto a Auger en picos montañosos y con vuelos en globo, Leprince-Ringuet desarrolló su propio laboratorio de investigación en rayos cósmicos en 1936...
"Nuestro trabajo es parte del estudio permanente de los fenómenos
naturales, de la comprensión de los mismos y del descubrimiento
de sus relaciones a través de un formalismo que tuvimos que inventar
para tal propósito. A pesar de que nuestro trabajo confía
en la imaginación, el pensamiento crítico, la tenacidad
y el espíritu creativo, éste revela poco, y de manera muy
azarosa, la profundidad y la más íntima realidad de nosotros
mismos. En este sentido, no somos poetas, pero cantamos en populosos coros
la grandeza de la naturaleza y el poderío de la humanidad."
Palabras de Louis Leprince-Ringuet, durante la celebración de su
cumpleaños número 96.
Más información en:
http://www.aip.org/
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