Muy, muy lejos, algo, en algún lugar, está creando partículas con cantidades locas de energía. Sean lo que sean o de donde sean, estas partículas pueden ser cualquier cosa entre 1018 eV y 1020 eV. Dado que la energía de partículas superior en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN es de aproximadamente 1013 eV, algunas de estas partículas son un millón de veces más energéticas que cualquier cosa que podamos fabricar en el acelerador de partículas más poderoso del planeta. Simplemente, son las partículas más energéticas jamás vistas en la naturaleza.

Conocidas como rayos cósmicos de ultra alta energía (UHECR), estas partículas fueron descubiertas en 1962. Son los hermanos súper energéticos de los rayos cósmicos comunes o de jardín, que fueron vistos por primera vez por el científico austriaco Victor Hess durante una famosa serie de audaces vuelos en globo aerostático 50 años antes. Pero aunque sabemos mucho sobre los rayos cósmicos regulares, de qué están hechos los UHECR, de dónde vienen en los cielos y qué los acelera, sigue siendo un misterio.

Afortunadamente, algunas UHECR ocasionalmente llueven sobre el planeta Tierra. Cuando uno de esos rayos entra en la atmósfera, choca con moléculas de aire, que a su vez golpean a otras partículas, lo que resulta en un efecto de cascada hasta el suelo. El resultado es una lluvia de partículas esparcidas sobre un área de 5 km de ancho en la superficie de la Tierra. Y gracias al Observatorio Pierre Auger en Argentina y al Conjunto de Telescopios en Utah, podemos detectar estas lluvias y extraer información sobre los propios rayos cósmicos.

Ambas instalaciones consisten en una serie de detectores de superficie, en el caso de Auger, 1660 barriles grandes cada uno con más de 12.000 litros de agua repartidos en 3000 km2. Cuando una partícula de una ducha entra en un detector, crea una onda de choque electromagnética que es captada por tubos detectores de luz montados en los tanques del detector. Los investigadores pueden combinar esta información con datos de 27 telescopios repartidos por toda la matriz que recogen la luz de fluorescencia creada cuando la cascada excita el nitrógeno en el aire.

Esta técnica combinada proporciona una medida precisa del flujo, la dirección de llegada y la energía de los UHECR. Y el año pasado, como resultado de este trabajo, los investigadores de Pierre Auger demostraron inequívocamente que los rayos cósmicos más poderosos provienen de fuera de la Vía Láctea, no de dentro de nuestra galaxia (Science 357 1266). Teniendo en cuenta que hemos sabido de los rayos cósmicos durante más de un siglo, este avance puede parecer decepcionante y un poco atrasado. En realidad, sin embargo, refleja el desafío gigantesco que enfrentan los investigadores. Los rayos cósmicos con una energía superior a 1020 eV aterrizan, en promedio, solo una vez por kilómetro cuadrado en la Tierra por siglo.

Rayos cósmicos con una energía superior a 1020 eV en tierra, en promedio, solo una vez por kilómetro cuadrado en la Tierra por siglo

¿De qué están hechos los UHECR?

Los datos recopilados durante décadas demuestran que los rayos cósmicos de baja energía, que en su mayoría son protones, núcleos y electrones, parecen venir de todas las direcciones del cielo. Los científicos atribuyen esta propagación a los rayos que son desviados en todas direcciones por los campos magnéticos que impregnan nuestra galaxia, lo que descarta toda esperanza de concentrarse en su fuente directamente. UHECRs es otro asunto. Se alimentan a través de campos magnéticos galácticos tan bien que se desvían solo unos pocos grados. «Podemos usarlos como mensajeros astronómicos para encontrar las fuentes directamente», explica Ralph Engel, portavoz del Observatorio Pierre Auger.

Durante una ducha de aire UHECR, el efecto de cascada involucra más y más partículas a medida que la ducha ahoga la atmósfera. Sin embargo, cada interacción pierde energía, lo que significa que el número de partículas de la ducha comienza a disminuir, y solo una pequeña fracción llega al suelo. Pero al saber cómo se propaga la ducha de aire en la atmósfera, los investigadores del Conjunto de barrenas y Telescopios pueden simular las interacciones de partículas para deducir en qué parte de la atmósfera se encontraba la ducha en su punto máximo. Y al combinar el valor máximo de la ducha con la energía de la ducha medida, pueden inferir la masa y, por lo tanto, la identidad de los UHECR.

Cuando los científicos de Auger aplicaron este método, esperaban que los UHECR de mayor energía estuvieran simplemente hechos de protones. En cambio, encontraron algo extraño. A medida que la energía de los UHECR aumentó de 1018 eV a 1020 eV, también lo hizo la masa. «Comenzamos con una gran cantidad de protones alrededor de 1019 eV», explica Engel. «Entonces, de repente, hay un cambio drástico en el helio y luego en los elementos en el rango de carbono y nitrógeno.»

El aumento de la masa de la UHECR a medida que los rayos se vuelven más energéticos es un problema tanto para los experimentadores como para los teóricos. Lo que es complicado para los científicos de Auger es que los UHECR más pesados se desvían más por los campos magnéticos de la Vía Láctea, lo que hace que sea aún más difícil averiguar su fuente. Para teóricos como Vasiliki Pavlidou de la Universidad de Creta, por otro lado, el problema es más fundamental: podría desafiar toda nuestra comprensión de la física de alta energía. «Si las partículas primarias en las energías más altas se están volviendo más pesadas, hay un par de coincidencias incómodas que tenemos que aceptar», dice.

De acuerdo con la sabiduría convencional, los rayos cósmicos por encima de cierta energía pierden energía rápidamente a medida que interactúan con los fotones en el fondo cósmico de microondas, lo que significa que la energía de los UHECR vistos en la Tierra debe limitarse a aproximadamente 1020 eV. Sin embargo, si las partículas observadas se están volviendo más pesadas con energía, entonces el proceso astrofísico que está acelerando los rayos cósmicos en primer lugar, sea lo que sea, debe estar funcionando cerca de su energía superior. (Las partículas más ligeras serán simplemente demasiado débiles para alcanzar esas altas energías.) El límite de energía de 1020 EV UHECR se rige por dos procesos completamente no relacionados: cómo las partículas se aceleran en su fuente extragaláctica y cómo pierden energía a medida que viajan a través del espacio interestelar. Esa es la primera coincidencia extraña.

La segunda coincidencia tiene que ver con los rayos cósmicos del interior de nuestra galaxia y los que vienen de otros lugares. Parece que los rayos cósmicos galácticos dejan de ser observados a 3 × 1018 eV, exactamente la misma energía a la que los rayos cósmicos extragalácticos comienzan a hacerse más pesados con la energía. Eso es extraño dado que los rayos cósmicos galácticos y extragalácticos provienen de fuentes muy diferentes (incluso si aún no sabemos dónde se originan estos últimos).

Dado que estas dos coincidencias dependen de procesos y propiedades que ni siquiera están vagamente relacionadas, ¿por qué ocurren a las mismas escalas de energía? Una de las razones podría ser que estas coincidencias simplemente no existen. Ese sería ciertamente el caso si los rayos cósmicos extragalácticos no se vuelven más pesados con la energía, sino que siempre son protones; las coincidencias simplemente se desvanecerían. De hecho, Pavlidou y su colega de Creta Theodore Tomaras estiman que los UHECR podrían ser principalmente protones, el único inconveniente que tendría que haber un nuevo fenómeno físico sin descubrir que afecta a las duchas de aire por encima de cierta energía.

Eso puede sonar extravagante, pero hay buenas razones para no rechazar la idea de plano. Los físicos modelan cómo interactúan las partículas en la ducha de aire en función de su comprensión del Modelo Estándar de física de partículas, pero nunca se ha probado (ni siquiera en el LHC) a energías tan altas. Además, estas simulaciones distan mucho de explicar todas las propiedades de la ducha de aire observadas. Así que tienes dos opciones desagradables. Los rayos cósmicos son protones y la nueva física los está haciendo parecer pesados. O UHECR son partículas pesadas y el modelo Estándar necesita algunos ajustes serios.

Pero si las UHECR son protones, averiguar cómo los protones podrían enmascararse como partículas más pesadas requerirá un pensamiento alternativo. Una posibilidad emocionante es que la colisión inicial del protón produzca un mini agujero negro, cuya existencia es predicha por teorías con grandes dimensiones adicionales. «Para el número correcto de tales dimensiones, pueden tener la masa deseada», explica Tomaras. «Los mini agujeros negros decaerían instantáneamente a un gran número de hadrones que comparten la energía del agujero negro, haciendo que el protón primario se vea pesado.»

Mirando el cielo desde debajo del agua

Otra alternativa sería invocar la existencia de fases aún no descubiertas de la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría que describe cómo los quarks están unidos dentro de protones, neutrones y otros hadrones. Tomaras admite, sin embargo, que estos son escenarios «exóticos». «Aún no hemos descubierto grandes dimensiones adicionales», dice, » y tenemos razones para sospechar que la sección transversal de producción de los mini agujeros negros probablemente sea demasiado pequeña para servir a nuestro propósito y, además, aún no tenemos un conocimiento cuantitativo sólido de las fases de QCD.»Sin embargo, si las superficies de prueba de UHECR son protones, Tomaras cree que es» casi inevitable » que tales fenómenos exóticos ocurran en la naturaleza.

¿Qué los acelera?

Dejando de lado la falta de certeza en torno a lo que son los UHECR, la pregunta que realmente importa es: ¿qué los hace? Aquí, la imagen es aún más confusa. Hasta hace poco, algunos físicos estaban explorando ideas exóticas conocidas como» modelos descendentes » que van más allá del Modelo Estándar. La idea es que los objetos desconocidos de alta energía, como la materia oscura súper pesada, con masas 1012 veces más grandes que la masa de protones, se desintegrarían en partículas UHECR. El problema con estos modelos es que sugieren que los rayos cósmicos deberían estar dominados por fotones y neutrinos, mientras que los datos del Observatorio Pierre Auger, el Conjunto de telescopios y otros sugieren partículas cargadas en su mayoría. «Ya nadie intenta construir modelos exóticos de la configuración clásica de arriba hacia abajo», explica Engel.

Aunque el exótico escenario de la materia oscura no ha sido totalmente descartado como fuente de UHECR, los investigadores están contemplando más seriamente si los eventos astrofísicos extremadamente violentos podrían ser responsables de tales altas energías. Se han propuesto púlsares, explosiones de rayos gamma, chorros de núcleos galácticos activos, galaxias con brotes estelares y otros, con la opinión popular oscilando entre ellos.

Roberto Aloisio, del Instituto de Ciencias del Gran Sasso en Italia, cree que los resultados de on face value Auger, que sugieren partículas UHECR más pesadas a las energías más altas, son un desarrollo importante. «Es más fácil acelerar núcleos pesados que protones porque los mecanismos de aceleración siempre sienten la carga eléctrica de las partículas, y los núcleos más pesados que los protones siempre tienen una carga eléctrica mayor», explica. Como resultado, Aloisio sugiere que el sinfín apunta hacia los púlsares como fuente de UHECR, que producen elementos más pesados y podrían conducir estas partículas a la energía requerida (Prog. Theor. Exp. Phys. 2017, 12A102).

Actualmente, sin embargo, hay un candidato que está por delante de todos los demás como fuente de UHECR. «Si tuviera que apostar definitivamente, me gustaría poner todo mi dinero en galaxias starburst», dice Luis Anchordoqui de la Universidad de la Ciudad de Nueva York, quien es miembro de 500 Barrena equipo. Las galaxias con brotes estelares son las más luminosas del universo, formando estrellas a un ritmo vertiginoso. Como Anchordoqui y sus colegas plantearon por primera vez en 1999, las galaxias cercanas con brotes estelares aceleran los núcleos a energías ultraalta a través de un esfuerzo colectivo, combinando numerosas explosiones de supernovas en la región densa central de la galaxia para crear un «superviento» de gas que fluye a escala galáctica.

A medida que este superviento se expande, se vuelve menos denso, ralentizando el flujo hacia abajo a la velocidad subsónica, en efecto, deteniendo el progreso del superviento en sí. «Esto produce una onda de choque gigantesca, similar a la que se produce después de la explosión de una bomba nuclear, pero mucho más poderosa», dice Anchordoqui.

Fundamentalmente, este proceso de acelerador de choque difusivo, o DSA, puede hacer que las partículas de gas se acerquen a la velocidad de la luz. Las partículas ganan energía de forma incremental al ser confinadas por campos magnéticos, y al cruzar y volver a cruzar el frente de choque. Dando vueltas y vueltas al acelerador astrofísico, estos pequeños aumentos de energía se acumulan hasta que la partícula alcanza la velocidad de escape y vuela hacia el espacio. Anchordoqui revisó recientemente el trabajo en el contexto de los últimos hallazgos de Auger (Phys. Apo. D 97 063010).

La DSA, que no solo ocurre en galaxias con explosión estelar, a menudo se invoca para explicar la aceleración de partículas propuesta en explosiones de rayos gamma, núcleos galácticos activos y otras fuentes candidatas a UHECR. Sin embargo, a principios de 2018, Kohta Murase y sus colaboradores de la Universidad Estatal de Pensilvania mostraron que un mecanismo de aceleración diferente podría estar en juego (Phys. Apo. D 97 023026).

En su modelo, los rayos cósmicos ordinarios existentes en una galaxia en particular reciben un enorme impulso de energía por potentes chorros de núcleos galácticos activos, a través de un mecanismo conocido como aceleración de cizallamiento discreta. Es un proceso complejo que implica la interacción entre la partícula, las perturbaciones locales en el campo magnético y la diferencia de velocidad – o «cizallamiento» – de diferentes partes del flujo del chorro y el capullo ambiental. Pero al final el efecto es similar al DSA. «Los rayos cósmicos ganan energía a través de la dispersión de ida y vuelta alrededor del límite de cizallamiento», explica Murase, después de lo cual escapan a través de los lóbulos de radio que a menudo se encuentran al final de los chorros.

Incluso más recientemente, Murase y Ke Fang de la Universidad de Maryland (Nature Phys. 14 396) revisitó la idea de que los potentes chorros de agujeros negros en agregados de galaxias podrían estar alimentando UHECR. Para empezar, compararon su modelo con los datos de composición y flujo UHECR observados de Auger, revelando una buena coincidencia con las observaciones experimentales. Pero lo más intrigante es que mostraron que al detallar cómo los UHECR, los neutrinos y los rayos gamma podrían ser producidos por núcleos galácticos activos, podrían explicar los datos recopilados por el Observatorio de Neutrinos de Cubitos de Hielo en la Antártida, el Telescopio Espacial de rayos gamma Fermi y el Sinfín simultáneamente. «La posibilidad más hermosa es que las tres partículas mensajeras se originen de la misma clase de fuentes», agrega Murase.

¿de Dónde vienen?

Si supiéramos de dónde en el cielo provienen los UHECR, la tarea de elegir qué fuente los produjo sería mucho más fácil. Pero no hay tal cosa como «fácil» en la ciencia de los rayos cósmicos. Intrépidos, los científicos de Barrenas y Conjuntos de Telescopios utilizan catálogos de posibles objetos candidatos que podrían acelerar las UHECR y luego intentan compararlos con las direcciones de llegada de los rayos cósmicos que observan. A medida que llegan más y más datos, ambas instalaciones han identificado un área de la que una gran proporción de estos rayos parecen originarse.

En el caso de Auger, esta área contiene una serie de galaxias con brotes estelares, pero también Centauro A, la galaxia gigante más cercana a la Vía Láctea que alberga un núcleo galáctico activo. En cuanto al Conjunto de Telescopios, su «punto caliente», que se encuentra justo debajo del mango de la constelación de la Osa Mayor, es una indicación aún más clara de una dirección de llegada, con una cuarta parte de las señales UHECR detectadas que provienen de un círculo de 40° que representa solo el 6% del cielo. Pero aunque la galaxia de estallido estelar M82 reside en el punto caliente, a unos 12 millones de años luz de distancia en la Osa Mayor, varios otros tipos de objetos en ese parche de cielo también podrían ser el lugar de nacimiento de UHECR.

«La correlación está en la dirección de M82 si quieres decir que son galaxias con estallido estelar, o es la dirección de Centauro A, si quieres que sean núcleos galácticos activos», dice Engel. «Aunque los datos se correlacionan mejor con las galaxias con brotes estelares, no significa que sean las fuentes.»

Al igual que no sabemos qué son los UHECR o qué los acelera, por lo que el lugar en el cielo que se originan también queda oculto a la vista. Sin embargo, puede que no pase mucho tiempo antes de que encontremos la respuesta. Se están realizando mejoras en el Observatorio Pierre Auger y el Conjunto de Telescopios, mientras que los investigadores exploran nuevas instalaciones, como la Sonda de satélites de Astrofísica de Mensajeros Múltiples Extremos (POEMMA).

El misterio de la masa y el origen de estas partículas enigmáticas podría, en menos de una década, quedar finalmente al descubierto.