Los rayos cósmicos son partículas energéticas provenientes del espacio exterior, como una lluvia de diminutas gotitas de materia que bañan a la Tierra. Fueron descubiertas por el físico austríaco Víctor Franz Hess en 1912, quien, mediante el uso de globos a grandes alturas, demostró que el número de partículas aumentaba con la altitud. Esto quiere decir que se encuentran en mayor concentración mientras más alejados del suelo estamos, sugiriendo así una fuente extraterrestre. Este hallazgo fue crucial para el avance de la física de partículas y la astrofísica, abriendo un nuevo campo de estudio.

Son importantes por varias razones. Los rayos cósmicos ofrecen pistas sobre los procesos de alta energía que ocurren en el Universo, como las explosiones de supernovas, los agujeros negros y las colisiones de galaxias. Estos eventos son capaces de acelerar partículas a energías que superan con creces las que podemos lograr en los aceleradores de partículas terrestres, incluido el gran colisionador de hadrones (LHC) entre Francia y Suiza, el acelerador de partículas más energético del mundo. Tal es el caso de Amaterasu (Telescope Array Collaboration, 2023), el segundo rayo cósmico más energético jamás observado, con un millón de veces más energía de la que podemos generar en el LHC.

Estudiar los rayos cósmicos también nos permite entender mejor otros fenómenos de partículas elementales que ocurren a las más altas energías, como el mecanismo que hace que haya más materia que antimateria en el Universo, la naturaleza de la materia oscura, etc.

Los rayos cósmicos son como una lluvia de diminutas gotitas de materia que bañan a la Tierra.

Además, tienen un papel relevante en la química atmosférica: al interactuar con los átomos y moléculas en la atmósfera, generan cascadas de partículas secundarias, incluyendo muones, piones, y neutrinos. Estas partículas secundarias pueden influir en la formación de nubes y en el clima terrestre (Brown, 2008). Aunque el alcance exacto de este impacto sigue siendo un tema de investigación, es un área fascinante que une la astrofísica con la ciencia climática.

Muones, piones, y neutrinos

Los rayos cósmicos también son causantes de la producción de radioisótopos, tales como el Carbono 14 en la atmósfera (Miyake, Masuda y Nakamura, 2013), el cual se fija en las plantas que luego consumimos los seres vivos; una vez en nuestro organismo, se queda ahí y es posible usar su cantidad en nuestros restos para determinar la antigüedad de los mismos.

Otro aspecto interesante de los rayos cósmicos es su influencia en la biología (Globus y Blanford, 2020). A pesar de que la atmósfera y el campo magnético terrestre ofrecen una protección significativa, una fracción de estas partículas alcanza la superficie de la Tierra. El riesgo para la salud humana en la superficie terrestre es bajo, pero los rayos cósmicos presentan un desafío significativo para la seguridad de los astronautas en misiones espaciales, especialmente en viajes a Marte o más allá, donde la exposición a estas partículas de alta energía es mucho mayor.

Estos mensajeros cósmicos han capturado la atención de científicos de todo el mundo, incluyendo equipos de investigación en instituciones mexicanas liderados por reconocidas personalidades como Manuel Sandoval Vallarta (pionero en el área), Arnulfo Zepeda, Luis Villaseñor, Humberto Salazar, Óscar Martínez, Gustavo Medina, Karen Caballero, Lukas Nellen y José Váldez, por mencionar algunas de ellas. En México, la investigación sobre rayos cósmicos es un campo de estudio activo y en crecimiento.

Ofrecen pistas sobre los procesos de alta energía que ocurren en el Universo.

México ha estado presente en proyectos internacionales de gran envergadura, por ejemplo, en el Observatorio Pierre Auger, en Argentina; el mayor detector de rayos cósmicos del mundo que busca entender el origen y naturaleza de los rayos cósmicos de ultra-alta energía. Esta colaboración le ha permitido a México estar en la vanguardia de la investigación científica global.

Y no sólo eso, este proyecto impulsó la colaboración y el interés en la industria mexicana por la ciencia básica, creando un modelo único para los detectores Cherenkov, necesarios para cubrir los 3 mil kilómetros cuadrados que componen el área de detección del observatorio. Alrededor de un tercio de los detectores fue provisto por la empresa mexicana Rotoplas.

En el ámbito nacional, nuestro país cuenta con instalaciones propias dedicadas al estudio de los rayos cósmicos. Por ejemplo, el Observatorio de Rayos Gamma HAWC (High-Altitude Water Cherenkov) situado en Puebla, es un proyecto liderado por México, en colaboración con instituciones de Estados Unidos y otros países. Con el observatorio HAWC se estudian los rayos cósmicos, especialmente los rayos gamma de alta energía, proporcionando datos esenciales para entender los procesos astrofísicos más energéticos del Universo.

Los cazadores de rayos cósmicos en México, no sólo se han quedado en detectores terrestres, sino que se han inspirado para perseguir las pistas de estas elusivas partículas en el espacio con satélites como Tatiana 2 (que fue lanzado en 2009), TUS (lanzado en 2016) y JEM-EUSO, así como con la creación del Laboratorio de Instrumentación Espacial de la UNAM.

Nuestro país cuenta con instalaciones para estudiarlos, como el Observatorio de Rayos Gamma HAWC.

Los investigadores mexicanos han hecho contribuciones importantes en el análisis de datos y en el desarrollo de modelos teóricos relacionados con los rayos cósmicos. Estos esfuerzos han mejorado la comprensión de cómo estas partículas interactúan con la atmósfera terrestre y de su potencial impacto en la ciencia del clima terrestre, el clima espacial y en la biología.

Muchos de los proyectos de investigación que se desarrollan en nuestro país involucran a estudiantes de licenciatura y posgrado, proporcionando una formación invaluable en ciencia experimental. Además, a menudo incluyen componentes de divulgación pública y educación, ayudando a incrementar el interés y la comprensión de la ciencia espacial y la física entre el público general y jóvenes estudiantes. 

Un ejemplo claro es la creación del piano cósmico, por los doctores Guillermo Tejeda y Arturo Fernández, patentado y presentado en conferencias nacionales e internacionales para la sensibilización del público sobre el fascinante mundo de los rayos cósmicos.

La investigación sobre rayos cósmicos que se realiza en México no solo contribuye al entendimiento global de estos fenómenos, sino que también fortalece la capacidad científica del país en astrofísica y ciencias relacionadas. El trabajo de los científicos mexicanos en este campo es un ejemplo claro de cómo la colaboración internacional y el compromiso local pueden llevar a avances significativos en la comprensión de nuestro Universo.

Glosario

Muon: Es como un hermano mayor del electrón; tiene carga negativa y es mucho más pesado, pero no vive mucho tiempo. Se encuentra en los rayos cósmicos y nos ayuda a comprender el Universo.

Pion: Partículas formadas de dos quarks que actúan como pegamento, ayudando a mantener unidos a los protones y neutrones. No viven mucho tiempo y son clave para entender las fuerzas que operan en el núcleo atómico.

Neutrinos: Partículas muy ligeras y casi invisibles que pasan a través de casi todo sin ser detectadas. Son muy comunes, vienen del Sol y de reacciones nucleares, y son esenciales para estudiar procesos astronómicos y nucleares.

Referencias

“Университетский-Татьяна-2 — Википедия.” n.d. Википедия. Recuperado 27 de noviembre de 2023 de https://ru.wikipedia.org/wiki/Университетский-Татьяна-2 

Brown, B. H. (2008). Short-term changes in global cloud cover and in cosmic radiation. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 70(1), 1122-1121.

Globus, N., & Blandford, R. D. (2020). The Chiral puzzle of life. The Astrophysical Journal Letters, 895(1), L11. https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab8dc6 

Miyake, F., Masuda, K., & Nakamura, T. (2013). Correction: Corrigendum: Another rapid event in the carbon-14 content of tree rings. Nature Communications, 4(1). https://doi.org/10.1038/ncomms3747 

Home. (s. f.). Pierre Auger Observatory – official website. Recuperado 27 de noviembre de 2023 de https://www.auger.org/ 

Abbasi, R., Allen, M., Arimura, . . . Zundel, Z. (2023). An extremely energetic cosmic ray observed by a surface detector array. Science, 382(6673), 903-907. https://doi.org/10.1126/science.abo5095