De galaxias moi, moi afastadas...!

Máis de medio século despois de establecer a súa existencia, un equipo internacional de investigadores acaba de confirmar agora a orixe extragaláctica dos raios cósmicos de moi alta enerxía, un millón de veces superior aos protóns acelerados no Gran Colisionador de Hadróns do CERN (LHC). A colaboración científica responsable do Observatorio Pierre Auger, na que participa un equipo da USC coordinado polo profesor Enrique Zas, realizou esta dedución con partículas cunha enerxía media de 2 xulios (1 xulio = ~ 6 x 1018 electronvoltios) detectadas nas instalacións coas que o Observatorio conta en Arxentina. O achado acaba de facelo público no seu último número a revista Science.

Karl-Heinz Kampert, voceiro da Colaboración Auger, considera que “a nosas observacións representan unha evidencia contundente de que os lugares nos que se aceleran estas partículas están máis alá da Vía Láctea”. Pola súa banda, Alan Watson, voceiro emérito, destaca que o resultado “é un dos máis emocionantes que temos obtido, e que resposta a unha das preguntas clave que se pretendía responder cando foi concibido este Observatorio por James Cronin e por min mesmo hai máis de 25 anos”.

Os raios cósmicos son núcleos atómicos de diferentes elementos, dende os máis lixeiros como o hidróxeno ata os máis pesados como o ferro. A enerxías elevadas, superiores a 2 xulios, o seu ritmo de chegada á Terra decrece tanto que, de media, “habería que esperar un século a que unha destas partículas atravesara a superficie dun campo de fútbol”, explica o líder científico do Observatorio en España, o profesor da USC Enrique Zas. Aínda sendo tan pouco frecuentes, é posible detectar estes raios porque en interaccións sucesivas cos núcleos da atmosfera producen avalanchas ou chuvascos de múltiples electróns, fotóns e muóns que surcan a atmosfera practicamente á velocidade da luz agrupados en forma dun disco chan de varios quilómetros de diámetro.

Estes chuvascos son detectables porque producen unha onda de choque de luz na auga (luz Cherenkov) ao atravesar algúns dos 1.600 detectores do Observatorio Auger, cada un con 12 toneladas de auga espallados en 3.000 quilómetros cadrados ao oeste de Arxentina. Os tempos de chegada destas partículas nos detectores úsanse para establecer a procedencia do raio cunha alta precisión. Os investigadores estudaron a distribución das direccións de chegada de máis de 30.000 partículas cósmicas e aínda que este descubrimento apunta claramente á orixe extragaláctica destas partículas, a colaboración internacional aínda non pode especificar nitidamente as fontes que as producen. A dirección de orixe dos raios identificada apunta a unha ampla rexión do ceo máis que a obxectos específicos xa que “incluso partículas tan enerxéticas como estas desvíanse decenas de graos nos campo magnéticos da nosa galaxia”, aclara Enrique Zas.

“Trátase dun achado que demostra que as direccións dos raios cósmicos máis enerxéticos posúen valiosísima información, poñendo de releve a importancia do proxecto de mellora do Observatorio (AugerPrime), aínda en construción, para poder extraela con maior eficacia”. Como explica o docente da USC, “o avance foi posible grazas ao amplo campo de visión do Observatorio que, a pesar de estar no Hemisferio Sur, mide con precisión raios cósmicos que proceden de gran parte do Hemisferio Norte” . Isto foi posible grazas a que se conseguiron analizar os raios que inciden cunha inclinación entre 60 e 80 grados coa vertical, “algo que foi proposto polo grupo do Instituto Galego de Física de Altas Enerxías, na Universidade de Santiago de Compostela, e que está baixo a súa responsabilidade” engade o profesor Zas, líder científico del Observatorio en España.

Existen raios cósmicos con enerxías aínda maiores que os utilizados neste traballo. Os investigadores agardan que as desviacións destas partículas sexan inferiores, polo que as direccións de chegada deberían apuntar mellor aos lugares onde se xeran. Estes raios aínda menos frecuentes son obxecto de intensos estudios coa finalidade de determinar aqueles obxectos extragalácticos capaces de producilos. “Existen plans de traballo para levar a cabo esta identificación grazas ao programa de mellora do Observatorio Pierre Auger que se espera completar en 2018”, indica Antonio Bueno, profesor da Universidade de Granada e co voceiro do Observatorio.

Observatorio Auger
O Observatorio Auger é o maior proxecto científico do mundo para investigar os raios cósmicos. Está conformado por unha rede hexagonal de 1.600 detectores de partículas, separados entre si un quilómetro e medio cubrindo unha superficie comparable coa illa de Mallorca. Ademais vinte e sete telescopios especialmente deseñados detectan a luz de fluorescencia que emiten as moléculas de nitróxeno da atmosfera co paso de cada chuvia. A combinación de ambas técnicas convérteno no detector de raios cósmicos ultraenerxéticos máis grande e preciso do mundo.

Vinculación da USC
Na actualidade dúas institucións españolas forman parte desta colaboración internacional de máis de 400 científicos de 16 países, as universidades de Santiago e Granada. Concretamente o grupo da USC, pertencente ao Instituto Galego de Física de Altas Enerxías, compóñeno cinco docentes e investigadores/as, Jaime Álvarez Muñiz, Gonzalo Parente, Inés Valiño, Ricardo Vázquez e Enrique Zas; e Guillermo Torralba, Aida López e Francisco Pedreira, actualmente traballando na súa tese de doutoramento.

A participación de España no proxecto remóntase aos anos 90 cando o grupo da USC propuxo en colaboración cos premios Nobel J.W. Cronin e A.A. Watson, principais impulsores do Observatorio e doutores honoris causa na USC, a busca de neutrinos de altas enerxías e a análise de eventos moi inclinados. Dende entón a implicación do grupo compostelán foi constante con repercusións moi significativas, tendo formado a dez doutores dos cales catro seguen traballando no proxecto e entre os que destacan Inés Valiño e Lorenzo Cazón agora responsables, respectivamente, da análise de chuvias inclinadas no IGFAE e da comprobación dos modelos de interaccións das partículas en Lisboa.

Detector Cherenkov de auga do Observatorio Auger na Pampa Amarilla, ao oeste de Arxentina. Foto: The Pierre Auger Observatory Representación artística dunha choiva de raios cósmicos cun detector Cherenkov de auga do Observatorio Pierre Auger no oeste de Arxentina. Foto: A. Chantelauze, S. Saffi, L. Bret