Usando observaciones de la UVAS-3 Con un detector de muones, físicos de la India y Japón han explorado con un detalle sin precedentes una región poco comprendida del espectro de energía de los rayos cósmicos. Fahim Varsi en el Instituto Indio de Tecnología Kanpur y sus colegas identificaron una característica nunca antes vista en forma de una curvatura en el espectro. Las observaciones sugieren la necesidad de repensar los orígenes de los rayos cósmicos.
Compuestos principalmente por protones y núcleos de helio, los rayos cósmicos son partículas altamente energéticas que bombardean constantemente la atmósfera terrestre. Al interactuar con la atmósfera, los rayos cósmicos producen lluvias de partículas secundarias, incluidos electrones, fotones y muones, que caen sobre la Tierra.
Los rayos cósmicos se identificaron por primera vez en 1912, en observaciones realizadas por Victor Hess, ganador del Premio Nobel. Sin embargo, incluso más de un siglo después de su detección inicial, todavía tenemos mucho que aprender sobre la naturaleza de estas partículas. Si bien los astrónomos creen que los rayos cósmicos se originan en varias fuentes diferentes, incluidas estrellas, supernovas y núcleos galácticos activos, sus orígenes no se comprenden completamente porque las partículas son desviadas por campos magnéticos cuando viajan grandes distancias hacia la Tierra.
Se requieren medidas precisas
"Se sabe que los rayos cósmicos son las partículas más energéticas del universo", dice un miembro del equipo Pravata Mohanty en el Instituto Tata de Investigación Fundamental de Mumbai. "Se requiere una medición precisa de la forma del espectro de energía elemental en los rayos cósmicos para avanzar en nuestra comprensión de sus orígenes, aceleración y propagación".
Una brecha particularmente evidente en la comprensión se encuentra en el medio del espectro de rayos cósmicos en energías en el rango de 100 TeV-1 PeV. En esta ventana, las partículas son demasiado energéticas para ser captadas directamente por detectores espaciales, pero no lo suficientemente energéticas como para que una gran cantidad de partículas de lluvia lleguen a los detectores en la Tierra.
Para explorar este rango de energía con más detalle, el equipo de Varsi examinó las observaciones del experimento GRAPES-3. Se trata de un observatorio de muones situado en el sur de la India que comprende una serie de detectores de centelleo. La instalación se encuentra a 2200 m sobre el nivel del mar, lo que facilita la detección de muones antes de que interactúen con la atmósfera.
"GRAPES-3 contiene un detector de área grande que nos permite medir la composición elemental de los rayos cósmicos a través del componente de muones en las lluvias de rayos cósmicos", explica Mohanty. "Con un área de detección varios miles de veces mayor que la de los detectores espaciales, GRAPES-3 garantiza una precisión estadística excepcionalmente alta en las mediciones".
Estudio de cuatro años
Los investigadores evaluaron alrededor de 8 millones de lluvias observadas durante un período de 460 días en 2014 y 2015. Debido a la complejidad de sus técnicas analíticas y de corrección de errores, el análisis tardó cuatro años en completarse. El equipo dice que sus resultados proporcionan la primera vista detallada de la ventana de energía media.
"El estudio midió el espectro de protones en rayos cósmicos de 50 TeV a 1.3 PeV, conectando de manera efectiva observaciones tanto de mediciones espaciales como terrestres", describe Mohanty.
Entre las características más llamativas detectadas por el equipo de Varsi se encontraba una torcedura en el espectro de energía en alrededor de 166 TeV, con más protones cósmicos de los esperados detectados a energías ligeramente más altas. Anteriormente, experimentos terrestres habían detectado una torcedura similar en alrededor de 3 PeV, que se pensaba que era la energía máxima para los rayos cósmicos que se originan en las galaxias.
Hasta este momento, los investigadores habían asumido generalmente que el espectro de energía de los protones en la región observada se puede describir mediante una simple ley de potencia. Sin embargo, el descubrimiento del equipo parece destrozar esta suposición.
"Esto sugiere la posibilidad de que una clase de fuentes, comúnmente consideradas restos de supernovas, puedan efectivamente acelerar los rayos cósmicos hasta el punto de torsión observado, mientras que otra clase se vuelve predominante más allá de ese punto", explica Mohanty.
A partir de estos resultados, el equipo de Varsi espera que pronto puedan surgir nuevos modelos que tengan en cuenta estos efectos. Si se logran, podrían ayudar a fortalecer nuestra comprensión de cómo emergen, se aceleran y se propagan los rayos cósmicos a través de distancias intergalácticas.
La investigación se describe en Physical Review Letters.
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