La misión internacional de observación de los rayos cósmicos revela una característica clave de estos rayos, marcando un avance importante para comprender su origen.
Un siglo después de su descubrimiento, los rayos cósmicos —esas partículas de energía extrema provenientes de los confines del universo— siguen siendo un misterio para los científicos. El telescopio espacial DAMPE (
Dark Matter Particle Explorer) aborda este fenómeno, explorando particularmente el papel que podría desempeñar la materia oscura en su formación.
Los rayos cósmicos están compuestos principalmente por protones, pero también por núcleos de helio, carbono, oxígeno y hierro.
© Chinese Academy of Science
Esta misión internacional, que incluye a la Universidad de Ginebra (UNIGE), logra hoy un avance importante al poner en evidencia una característica universal de estos rayos. Estos resultados se publican en la revista
Nature.
Los rayos cósmicos son las partículas más energéticas observadas en el universo, superando con creces la energía de las partículas producidas por los aceleradores artificiales en la Tierra. Su origen exacto aún se estudia y se cree que provienen de fenómenos astrofísicos extremos, como supernovas, chorros de agujeros negros o púlsares.
El telescopio espacial DAMPE, lanzado en diciembre de 2015, debe aportar respuestas sobre el origen y la naturaleza de los rayos cósmicos. Esta misión espacial, de la cual el grupo de física de astropartículas del Departamento de Física Nuclear y Corpuscular (DPNC) de la UNIGE es uno de los principales contribuyentes, reporta hoy un avance crucial.
Gracias al análisis de las mediciones de alta precisión recolectadas por el telescopio, los científicos han logrado poner en evidencia una característica universal en los espectros de energía de los núcleos de rayos cósmicos primarios, desde los protones hasta el hierro.
"Los rayos cósmicos están compuestos principalmente por protones, pero también por núcleos de helio, carbono, oxígeno y hierro", explica Andrii Tykhonov, profesor asociado del Departamento de Física Nuclear y Corpuscular de la Sección de Física de la Facultad de Ciencias de la UNIGE, coautor del estudio.
"Estos rayos también se distribuyen según su energía: baja, hasta unos pocos miles de millones de electronvoltios; intermedia, desde unos pocos miles de millones hasta varios cientos de miles de millones de electronvoltios; y alta, desde 1 billón de electronvoltios en adelante."
Estos resultados constituyen un paso importante hacia una comprensión más completa del origen de los rayos cósmicos y de los mecanismos que gobiernan su propagación.
Una nueva característica común
Los resultados muestran que, para todos los núcleos estudiados, el número de partículas disminuye cada vez más rápidamente a partir de un cierto valor. Este fenómeno se denomina "suavizado espectral". Normalmente, el número de partículas ya disminuye a medida que la energía aumenta, pero aquí, esta disminución se vuelve aún más marcada. Ocurre alrededor de una rigidez de aproximadamente 15 TV (teravoltios).
La rigidez de una partícula mide la resistencia de su trayectoria frente a un campo magnético. La observación de una estructura común a esta rigidez respalda fuertemente los modelos que explican que la aceleración y el transporte de los rayos cósmicos dependen de la rigidez de las partículas.
En cambio, los modelos alternativos, que sugieren que la energía por nucleón (la energía dividida por el número de nucleones en la partícula) sería un factor clave, quedan fuertemente invalidados por estas mediciones, con una certeza del 99,999 %.
El equipo ginebrino ha desempeñado un papel central en este avance científico. En particular, desarrolló técnicas avanzadas de inteligencia artificial para la reconstrucción de los eventos detectados y contribuyó a mediciones clave de los flujos de protones y helio, así como al análisis del carbono.
El grupo también dirigió el desarrollo de uno de los subdetectores principales de DAMPE, el
Silicon-Tungsten Tracker (STK), un instrumento esencial para la reconstrucción precisa de las trayectorias de las partículas y la medición de su carga.
Estos resultados constituyen un paso importante hacia una comprensión más completa del origen de los rayos cósmicos y de los mecanismos que rigen su propagación en la Galaxia. Aportan nuevas restricciones experimentales sobre los modelos de aceleración en las fuentes astrofísicas y sobre el transporte de partículas en el medio interestelar, abriendo así el camino a una descripción más precisa de las poblaciones de partículas de alta energía.
Fuente: Universidad de Ginebra