La Colaboración del Observatorio Pierre Auger, en la que el IGFAE lidera la participación española, presenta las medidas más precisas hasta la fecha sobre las partículas más energéticas y enigmáticas del Universo que ayudarían a esclarecer de dónde provienen.

Los rayos cósmicos de ultra-alta energía (UHECR, por sus siglas en inglés) son las partículas procedentes del espacio exterior más energéticas del Universo (hasta mas de 10²⁰ eV). Si quisiéramos acelerar una partícula para alcanzar esa energía con la tecnología disponible actualmente, habría que escalar el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN al tamaño de la órbita de Mercurio. A pesar de haber sido descubiertos en 1961, aún no sé sabe con exactitud cómo se producen y las fuentes que los originan. Ahora, nuevos datos de la Colaboración Pierre Auger, en la que participa el Instituto Galego de Física de Altas Enerías (IGFAE), centro mixto de la Universidade de Santiago (USC) y la Xunta de Galicia, revelan con una precisión sin precedentes una característica nueva en el espectro de energía de estos rayos cósmicos y refuerza la hipótesis de que su origen está en galaxias con alta formación estelar (starbust galaxies) o núcleos activos de galaxias (AGN). Los resultados se han publicado recientemente en Physical Review Letters y en Physical Review D.

La Colaboración Pierre Auger es un grupo investigador de aproximadamente 400 personas de 17 países que opera el observatorio de rayos cósmicos más grande del mundo en Malargüe, Mendoza (Argentina). Está compuesto por más de 1.600 tanques de agua con detectores Cherenkov repartidos en una extensión de 3.000 km2 , una superficie enorme ya que el flujo de estas partículas es tan escaso que cada mil años llega a la Tierra menos de una por kilómetro cuadrado a las energías más altas. Observan un tipo de luz ‒radiación Cherenkov‒ producida por el agua cuando “lluvias” de partículas o cascadas producidas por los rayos cósmicos la atraviesan. Éstos detectores se complementan con 27 telescopios de fluorescencia que captan la luz ultravioleta causada por las cascadas al atravesar la atmósfera. Juntos, proporcionan mediciones de la energía de las cascadas y medidas indirectas de la masa de la partícula primaria. Combinando la información sobre el espectro de energía, la composición de la masa y la distribución de la dirección de llegada, se pueden deducir características importantes de las posibles fuentes que originan estas partículas extraordinarias.

En los trabajos publicados y que analizan los 215.000 eventos recopilados por el Observatorio Pierre Auger hasta la fecha, se ha observado una nueva característica del espectro energético de los UHECR, que se refleja en una ligera inclinación de la curva en torno a los 13×10¹⁸ eV. Ese suavizado en esta región intermedia (figura 1) podría ser consecuencia natural de que la composición de masa de los rayos cósmicos cambia, en función de la energía, de ligera a pesada. Los resultados pueden explicarse con fuentes extragalácticas de rayos cósmicos distribuidas de forma relativamente uniforme, que aceleran partículas a mayor energía cuanto más pesadas. Estos modelos requieren un espectro extremadamente duro ‒con más cantidad de partículas de alta energía- y fuentes prácticamente constantes a lo largo del tiempo. En este escenario, ambos requisitos no concuerdan con las observaciones de fuentes luminosas cercanas en todos los tipos de luz del espectro electromagnético, desde radioondas hasta rayos gamma.

Cascadas inclinadas y energía invisible

El equipo del IGFAE, liderado por el profesor de la USC Enrique Zas, ha participado en la elaboración del artículo y ha liderado el análisis de cascadas o lluvias de partículas inclinadas, que se ha utilizado para el establecimiento de la llamada “energía invisible”, fundamental para la determinación precisa de la energía.

España ha contribuido notablemente a la Colaboración Pierre Auger en aspectos muy diversos: análisis de lluvias inclinadas, contenido de muones de las cascadas, naturaleza de las partículas primarias, aplicaciones de técnicas de aprendizaje automático, búsqueda de neutrinos, astronomía de multimensajeros, técnica de fluorescencia y técnica de radio. Actualmente en el proyecto participan la Universidad de Granada y el IGFAE, que ha liderado la participación española desde su origen en la década de 1990.

Figura 1. El espectro de los UHECR compuesto a partir de los últimos datos de Auger en términos de densidad de energía. Las observaciones revelan una nueva característica a 13 × 1018 eV, donde el espectro se inclina ligeramente. Esta ruptura en el ajuste de la ley de potencia ocurre entre otras dos rupturas: el “tobillo” (ankle) y el “dedo del pie” (toe). La forma del espectro sugiere que diferentes núcleos (mostrados en colores) contribuyen a diferentes energías. Crédito: APS/Alan Stonebraker, adaptado de Phys. Rev. Lett. 125, 121106 (2020).

El Observatorio Pierre Auger se encuentra actualmente en una actualización a gran escala, instalando detectores de centelleo y antenas de radio en la parte superior de las estaciones detectoras de agua. Esto permitirá obtener más información sobre la composición de la masa de los rayos cósmicos de ultra-alta energía, extendiéndola a energías más altas donde una posible presencia de núcleos de masa ligera podría abrir una nueva ventana a búsquedas sensibles a la composición de fuentes y estudios de campos magnéticos cósmicos.

Referencias:

Aab et al.(Pierre Auger Collaboration), “Features of the energy spectrum of cosmic rays above 2.5×10¹⁸eV using the Pierre Auger Observatory,” Phys. Rev. Lett. 125, 121106 (2020). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.121106

Aab et al.(Pierre Auger Collaboration), “Measurement of the cosmic-ray energy spectrum above 2.5 × 10¹⁸ eV using the Pierre Auger Observatory,” Phys. Rev. D 102, 062005 (2020). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.102.062005