Descubren en Mendoza el origen extragaláctico de los rayos cósmicos

El origen de los rayos cósmicos de altísimas energías es uno de los grandes interrogantes que se plantean los científicos que estudian el universo. Ahora, un grupo internacional de 400 investigadores, en el que participan científicos de Argentina y también docentes y estudiantes del Instituto Balseiro, acaba de publicar en la revista Science una conclusión clave: este fenómeno proviene del exterior de la Vía Láctea.

El equipo de colaboración internacional que opera el observatorio Pierre Auger, ubicado en la localidad mendocina de Malargüe, recopiló y analizó datos sobre las direcciones de llegada de cada evento en el período de enero de 2004 a agosto de 2016. Utilizaron un sistema de observación híbrido: por un lado, una red de tanques que detectan la luz de las partículas secundarias generadas por los rayos cósmicos; y por otro lado, telescopios de fluorescencia, que funcionan sólo en noches sin luna.

"Los rayos cósmicos son las partículas de mayor energía que se conocen en el universo y es un misterio cómo fueron aceleradas hasta alcanzar esas energías y cómo fue su viaje hasta la Tierra. El mejor instrumento para responder estas preguntas se encuentra en nuestro país y por lo tanto su estudio es un desafío y una oportunidad", contó Silvia Mollerach, una de las autoras del artículo publicado en Science. Mollerach es docente invitada del Instituto Balseiro e investigadora independiente del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) en el Centro Atómico Bariloche.
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¿Cómo calcularon las direcciones de estos rayos? Mollerach explicó que los rayos cósmicos, son núcleos de átomos de elementos como el hidrógeno y el hierro. Cuando ingresan a la atmósfera, interactúan con el aire y producen una cascada de millones de partículas secundarias: electrones, fotones y muones. Esta cascada avanza a una velocidad cercana a la de la luz distribuida en forma de disco de varios kilómetros de radio.

"A partir del tiempo de llegada de este frente a por lo menos tres de las estaciones de superficie puede determinarse la dirección de la partícula inicial, ya que disparan antes los detectores más cercanos a la dirección de arribo del rayo cósmico", detalló la científica, que es doctora en Astrofísica de la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA; Trieste, Italia). Y agregó que también a partir de la magnitud de la señal medida se puede inferir la energía que tiene el rayo cósmico.

El equipo de investigadores centró su estudio en los rayos cósmicos con energías un millón de veces más grandes que las que adquieren los protones en el acelerador de partículas más potente que existe en la Tierra: el Gran Colisionador de Hadrones. Son difíciles de detectar y llegan de forma "espaciada" en el tiempo: sobre una superficie del tamaño de una cancha de fútbol llega un rayo cósmico por siglo. Por eso, en el Observatorio Auger funcionan 1.600 detectores separados entre sí por 1,5 km en un área total 3 mil km cuadrados, que equivale a 16 veces la superficie de la ciudad de Buenos Aires.

"Lo que más tiempo llevó fue conseguir tener la suficiente cantidad de datos como para que la precisión alcanzada fuera mayor de cinco 'sigmas' o desviaciones estándar. En otras palabras, para que el resultado pueda considerarse un descubrimiento. En estudios anteriores veíamos algunos indicios pero con incertezas mayores", destacó Silvia Mollerach, que es física graduada de la Universidad Buenos Aires (UBA) y que desde 2001 vive en Bariloche.

El principal resultado publicado en la revista Science (el jueves 21 se publicó en línea y el viernes 22, en papel) es que los rayos cósmicos provienen de fuera de la Vía Láctea y de una región en particular. Algo que los científicos llaman "anisotropía". Esteban Roulet, que trabaja al igual que Mollerach en el grupo de Física de Partículas y Campos del CAB, explicó que esta palabra indica que los rayos cósmicos no llegan en igual número de todas las direcciones del cielo.

"Las observaciones indican que el flujo de rayos cósmicos de altísimas energías es un 6% mayor en una mitad del cielo que en la otra. A esto lo denominamos un 'di-polo'. Sin embargo, la dirección de llegada a la Tierra puede ser bastante diferente de la dirección en la que se encuentra su fuente, ya que al ser partículas con carga eléctrica su trayectoria es desviada por los campos magnéticos presentes a lo largo de su recorrido", contó el físico, que ha dado cursos en el Instituto Balseiro y que es investigador principal del CONICET, además de doctor en Física de Partículas Elementales de SISSA (Trieste, Italia).

Roulet detalló que el hecho de que solo se vea un mayor flujo en una mitad del cielo, y no concentraciones de rayos cósmicos en pequeñas regiones del cielo, indica que el efecto del campo magnético es importante. "Es como cuando en una noche de niebla densa podemos distinguir en qué dirección hay más faroles pero no ver su forma ni ubicación precisa", dijo. Y agregó: "​El hecho de que el flujo observado sea máximo en una dirección a unos 120 grados respecto al centro de nuestra galaxia nos indica que se originaron en fuentes extragalácticas".​

¿Cuáles son los próximos pasos?​ Los científicos del CAB contaron que uno de los desafíos es descubrir dónde se aceleran los rayos de mayor energía y de menor carga eléctrica. Esos rayos son los que se ven en menor medida afectados por campos magnéticos en su recorrido desde su punto de origen hasta la Tierra. En ese contexto, en el Observatorio Auger se están realizando una serie de mejoras en los detectores de superficie que permitirán estimar la composición de todos los eventos medidos. Aún hay misterios por resolver.

Proyecto internacional

En el equipo internacional de 400 personas que firman el paper sobre el Proyecto Auger en la revista Science, participaron nueve científicos que son investigadores del CAB o docentes y estudiantes del Instituto Balseiro. En particular, los aportes realizados desde Bariloche permitieron ampliar la selección de datos, desarrollar varios de los métodos de análisis y contribuir a la interpretación de los resultados. Ellos son: Esteban Roulet, Silvia Mollerach, Xavier Bertou, Oscar Taborda, Geraldina Golup, Diego Harari, Hernán Asorey, Mariano Gómez Berisso e Ingo Allekotte.

La colaboración argentina incluye representantes de las siguientes instituciones: la Comisión Nacional de Energía Atómica o CNEA (Instituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas y Centro Atómico Bariloche), el Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), el Observatorio Pierre Auger, la Universidad Nacional de La Plata, la Universidad Nacional de San Martín, el Instituto Balseiro (Universidad Nacional de Cuyo y CNEA), el Instituto de Astrofísica y Física del Espacio, la Universidad de Buenos Aires y la Universidad Tecnológica Nacional (regionales Mendoza y San Rafael). Para más información, ingresar a: https://www.auger.org/

Ciencia internacional desde el Instituto Balseiro

Oscar Taborda es colombiano, tiene 29 años y está realizando el Doctorado en Física en el Instituto Balseiro. Es además uno de los autores del paper recién publicado en la revista Science. Su directora de tesis es la científica Silvia Mollerach, en el grupo de Física de Partículas del Centro Atómico Bariloche.

Ante la consulta sobre cuál fue su participación en este trabajo, Taborda respondió que su rol fue básicamente el análisis de los datos. Participó en la selección de los datos más adecuados y confiables para el estudio, así como en los cálculos computacionales para llegar a los resultados publicados.

Taborda es ingeniero físico por la Universidad Tecnológica Pereira, de Colombia, y magíster en Física por el Instituto Balseiro (Comisión Nacional de Energía Atómica y Universidad Nacional de Cuyo). Cuenta que comenzó el doctorado en abril de 2014 y que el tema de su tesis es el estudio de las "Anisotropías de los Rayos Cósmicos en el Observatorio Pierre Auger".

-¿Cuándo decidiste que querías estudiar Física y cuándo que querías trabajar en este campo de rayos cósmicos?

-Antes de ingresar a mi carrera de grado ya tenía preferencias por las ciencias básicas, entre ellas la física y la matemática. Después durante mi carrera de ingeniería terminé inclinándome definitivamente por la física. Por ello decidí ingresar a la maestría en Física del Instituto Balseiro y desde allí comencé a trabajar en el tema de rayos cósmicos bajo la supervisión de Silvia, porque me interesaba saber más sobre estas partículas.
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-¿Qué es lo que más te gusta de trabajar en el Proyecto Auger?

-Lo que más me gusta de trabajar en el Auger es el hecho de que al ser un proyecto tan grande implica que muchas personas trabajen de manera conjunta en diversos aspectos. Todo ese trabajo en equipo se materializa después en resultados interesantes para el área de los Rayos Cósmicos y de las astropartículas en general. Además me gusta también el intercambio científico entre diferentes países que permite el hecho de trabajar en una colaboración internacional.

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