A través de muchos años de divulgación quizás en este momento hayan pocas personas que no conocen aún lo que es el CERN. Estas son las siglas de la Organización Europea para la Investigación Nuclear, por su nombre oficial en Español, o Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, por su siglas en Francés, el cual está ubicado en Suiza cerca a la frontera con Francia, entre la comuna de Saint-Genis-Pouilly (en el departamento de Ain) y la comuna de Meyrin (en el cantón de Ginebra), y en el que se encuentra el Gran colisionador de Hadrones (LHC), un gran experimento con uno de los mayores artefactos de detección de partículas digno de la mayor proeza tecnológica de nuestros días. Actualmente cuenta con 21 estados miembros, los cuales comparten la financiación y la toma de decisiones en la organización. Además, otros 28 países no miembros participan con científicos de 220 institutos y universidades en proyectos comunes utilizando sus instalaciones, lo que en total albergaría cerca de 4000 investigadores de todo el mundo. En este misterioso lugar para algunos, lugar de entrañables secretos en donde una gran cantidad de científicos de todo el mundo realizan experimentos que pocos ni siquiera imaginamos, se producen año tras año, descubrimientos intensos que apuntan a revelar los más importantes misterios del universo. En el CERN se producen colisiones de protones para develar la estructura interna de la materia, para saber de que están compuestas las partículas más pequeñas y conocer sus constituyentes más fundamentales. Además en cada colisión se crean partículas secundarias como resultado de un proceso de decaimiento e interacción entre cada partículas. Hasta aquí los que vivimos lejos no podemos ver este proceso. La energías a las que se encuentran estas interacciones son muy grandes, cerca de 13 mil veces mayores a la energía en reposo de un protón (0.938 MeV). Para hacernos una idea piense que el Tubo de Rayos Catódicos de un televisor proporciona a los electrones una energía de aproximadamente 20 keV, harían falta 350 millones de TV conectados en serie para conseguir esa energía.
Afortunadamente nuestra naturaleza proporciona uno de los mayores aceleradores de partículas de los que disponemos a mayores umbrales de energías de los que manera el CERN, aunque a menor número de producción de partículas. En este caso nos referimos a los Rayos Cósmicos provenientes del espacio intergaláctico de varias fuentes energéticas de radiación. Estos son chorros de partículas que al hacer contacto con los átomos constituyentes de nuestra atmósfera producen al igual que en el CERN, interacciones y decaimientos en otras partículas secundarias. A unos 12 mil kilómetros de distancia, con una diferencia de 80 grados en latitud y 76 grados en longitud se encuentra el Observatorio Pierre Auger en la pampa Argentina. Se dispone de uno de los detectores más grandes y extensos del mundo. Consiste de 1600 detectores Cherenkov en unos unos tanques que miden aproximadamente 3.5 m de diámetro y más de un metro y medio de alto. Se encuentran emplazados a 1.5 km de distancia entre ellos, formando una red que cubre unos 3000 km$^2$. Para terminar la configuración se disponen de 4 detectores de Ffluorescencia que complementan las mediciones de los 1600 detectores Cherenkov.
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| Los 1600 detectores Cherenkov del Observatorio Pierre Auger, espaciados por un kilómetro y medio de distancias entre si, cubren un área de cerca de 3000 km2. Los detectores de fluorescencia ubicados en la periferia del arreglo hacen un seguimiento de la cascada que llega al área que eventualmente es registrada por un conjunto de tanques Cherenkov en el suelo. Crédito: Physics (APS) - American Physical Society. |
Midiendo rayos cósmicos
El Observatorio Pierre Auger, ha descubierto que el número de muones que llegan al suelo proviene de las lluvias de rayos cósmicos que se esperaban de los modelos que usan los datos del LHC como entrada [A. Aab et al. (Pierre Auger Collaboration), “Testing Hadronic Interactions at Ultrahigh Energies with Air Showers Measured by the Pierre Auger Observatory,” Phys. Rev. Lett. 117, 192001 (2016).]. Las lluvias que la colaboración de Auger analizaron provienen de colisiones atmosféricas de rayos cósmicos que son 10 veces más energéticas que las colisiones producidas en el LHC. Este resultado puede sugerir que nuestra comprensión de las interacciones hadrónicas (es decir, las interacciones entre protones, neutrones y mesones) de las mediciones de los aceleradores es incompleta.
Los Rayos Cósmicos son partículas que se mueven muy cercanos a la velocidad de la luz (unos 300 mil kilómetros por segundo, son partículas relativistas) que se producen en objetos intergalácticos como supernovas y estrellas radiantes muy enegéticas (como nuestro sol) que se encuentran en nuestra galaxia y también fuera de ella. La composición de estos rayos también es fuente de estudio intenso, sin embargo, una buena aproximación es considerar que son protones y además algunos núcleos atómicos ligeros de nuestra tabla periódica de elementos químicos. Cuando estas partículas llegan a la vecindad de nuestra atmósfera, chocan con los átomos de la misma, produciendo millones de colisiones que desencadenan una gran cantidad de partículas secundarias. Por ejemplo, cuando un protón llega a la atmósfera, este gasta cerca de dos quintas partes de su energía produciendo protones y neutrones secundarios además de otras partículas hadrónicas como piones y kaones, los cuales a su vez decaen nuevamente produciendo otras partículas. Piones neutros decaen en fotones y electrones mientras que piones cargados producen protones y neutrones además de muones. De esta forma hay un ciclo de producción que no se detiene hasta consumir la mayor cantidad de energía del rayo cósmico primario. Así la cascada comprende tres tipos de componentes, hadrónica, electromagnética (constituyente de electrones cargados), gammas con radiación de fotones y finalmente la componente muónica que son los que sobreviven mayoritariamente a nivel del suelo.
A diferencia del LHC, el en observatorio Pierre Auger no se detectan las colisiones primarias, en cambio, a partir de los 1600 detectores en superficie se detectan las partículas secundarias que se generan por las coliciones en nuestra atmósfera, de tal manera que a partir de la detección de estas partículas secundarias [A. Aab et al. (Pierre Auger Collaboration), “The Pierre Auger Cosmic Ray Observatory,” Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 798, 172 (2015).] es posible reconstruir los parámetros de la radiación primaria que les generó. Todos los detectores en superficie están sincronizados de manera tal que es posible medir los tiempos en los que una partícula atraviesa el detector, y con éste, un proceso de reconstrucción es llevado a cabo para determinar la dirección y estimar la energía del primario que les produjo. El proceso comienza cuando una partícula atraviesa el detector Cherenkov, en el cual al atravesarlo con una velocidad mayor a la velocidad de la luz en el medio se produce una radiación, llamada radiación Cherenkov, que se traduce en un destello de cientos de fotones que eventualmente son recogidos por Fototubos, dispositivos electrónicos altamente sensibles a la luz y que permiten hacer una traducción de el numero de fotones recogidos en energías de la partícula que produjo el destello. Para complementar este proceso los cuatro detectores de fluorescencia, altamente sensibles a la fluorescencia que produce la partícula en su paso por la atmósfera hacen un seguimiento del desarrollo de la cascada.
Aquí es donde viene un proceso interesante. Dado que existen modelos bien construidos a partir de las interacciones y colisiones producidas en el CERN, donde se reflejan como las partículas interactúan y se combinan, se hace una comparación entre lo que se detecta en el Observatorio Pierre Auger y lo que se espera que llegue al suelo a partir de los modelos del LHC. El proceso es complicado, en principio eligen una muestra de 9 años de datos de cascadas detectadas en tierra, lo que corresponde a un poco más de una centena de eventos. En 9 años de datos uno pudiera esperar tener más eventos, sin embargo, esta muestra corresponde a los eventos que se han producido en noches despejadas y sin luna, debido a que los detectores de fluorescencia, como hemos dicho, son altamente sensibles a luz, radiación lumínica de la luz contamina la medición y no es posible inferir buenos resultados. Además esta muestra estadística de eventos no se encuentran todas las energías del espectro, solo una pequeña porción para eventos muy energéticos. De esta manera ahora los investigadores del equipo Auger simulan miles de veces un evento para reducir el error estadístico y se eligen de estas simulaciones la que mejor ajuste tenga con respecto al detector. Varias complicaciones surgen en este proceso; en primer lugar, las simulaciones son sensibles a los núcleos atómicos considerados para la misma [A. Aab et al. (Pierre Auger Collaboration), “Depth of Maximum of Air-Shower Profiles at the Pierre Auger Observatory. II. Composition Implications,” Phys. Rev. D 90, 122006 (2014).], así si se comienza una simulación a partir de dos distintas proporciones de núcleos de hidrógeno y algunos otros núcleos es posible conseguir como resultado dos conteos distintos de partículas secundarias en el suelo; en segundo lugar, la detección de electrones y positrones domina sobre la cantidad de muones que se detectan, por lo que un proceso de filtrado se hace para conservar solo partículas secundarias que incidan con ángulos de entre 0 y 60 grados, en la cual la componente muónica es más significante, además de esto para poder llevar a cabo este cálculo se simulan por separado las componentes muónicas y la electromagnética.
El resultado de este proceso tan meticuloso y ordenado es que para la componente electromagnética se encuentra que N(sim)/N(det) es aproximadamente 1, es decir, los eventos detectados son muy cercanos a los eventos simulados para esta componente, sin embargo, con la componente muónica se encuentra que la razón N(sim)/N(det) se encuentra en un intervalo entre 1.3 y 1.6, lo que en otras palabras se traduce en un 30% a 60% más muones detectados que los que se esperaban que llegaran a los detectores.
Esta no es la primera vez que una conclusión como esta se presenta, sin embargo, debido a la rigurosidad y lo nuevo de los datos y técnicas usadas, este resultado es realmente interesante y llama la atención de todos los investigadores de todo el mundo acerca de los que medimos en el suelo y lo que se espera en términos de radiación de rayos cósmicos. En esencia esto implica un par de cuestiones fundamentales:
- Nuestra comprensión de los procesos de interacción de las partículas a energías altas, a partir de experimentos en el LHC, no ha sido bien comprendidos y quizás es necesario incluir algo más a los modelos, o
- Es posible que los modelos que usamos provenientes del CERN incluyan una física distinta para partículas con energías mayores a las probadas en sus experimentos. Recordemos que el CERN complementa sus modelos a mayores energías a partir de experimentos a los que puede accederse con la tecnología disponible.
Lo que sigue es un gran trabajo. Una de las cosas que puede hacer la colaboración Auger es realizar de nuevo el análisis pero considerando datos con un intervalo de energía mayor, de lo que puede desprenderse un estudio mucho mas fino que permita a la final calcular esta razón en función de la energía de las partículas detectadas y simuladas, que a su vez permita inferir a partir de que punto las discrepancias empiezan a ser significativas, de esta manera pudiera establecerse regiones en las cuales los modelos empiezan a fallar.
Aun con mucho camino que recorrer es posible que el Observatorio Pierre Auger nos de nuevas pistas a futuro y proporciones nuevas observaciones y experimentos que permitan debelar este misterio de los muones con discrepancias respecto a lo detectado con este gran experimento.
