La historia de los rayos cósmicos está enterrada bajo nuestros pies

Las muestras de núcleos de roca pueden tener marcas de rayos cósmicos de hasta miles de millones de años.

Impresión artística de un rayo cósmico y sus partículas secundarias lloviendo sobre el Observatorio Pierre Auger en Argentina, visto contra un cielo estrellado.
Crédito: A. Chantelauze, S. Staffi, L. Bret
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 Los científicos han descubierto una manera de mirar hacia nuestro pasado galáctico y el método propuesto es literalmente innovador. Consiste en desenterrar cristales de sal a kilómetros de profundidad. Recientemente se publicó un artículo que describe el enfoque en ‘Physical Review Letters’.

Cavando profundo por nuestro pasado galáctico

Por lo general, los astrónomos que quieren ver hacia el pasado miran profundamente al espacio. Observan la luz que ha tardado miles de millones de años en llegar desde galaxias lejanas e incluso desde el propio Big Bang.

Pero, ¿cómo estudiamos la historia de algo que está más cerca, digamos, dentro de la Vía Láctea, que tiene solo cien mil años luz de diámetro? ¿O nuestro Sol, que está a solo ocho minutos luz de distancia?

«Nuestro Sol, por ejemplo, es conocido por ser mucho menos activo que estrellas similares. La típica estrella similar al Sol tiene una variación en la producción de radiación de tal vez de un uno por ciento más o menos. Para el Sol, está más cerca de un tercio de un por ciento,» dijo Paul Evenson. Él es un Astrofísico de la Universidad de Delaware en Newark que no participó en el último artículo. «Entonces, ¿nuestro Sol siempre ha estado tan tranquilo magnéticamente? Sería interesante saberlo».

Afortunadamente, hay otro grupo de científicos que está acostumbrado a trabajar con este tipo de escala de tiempo más cerca de casa: los geólogos. Las rocas de nuestro planeta, de varios miles de millones de años, pueden llevar marcas dejadas por los rayos cósmicos a lo largo de su vida. Entonces pueden analizarse para revelar nuestro pasado galáctico.

Firmas congeladas de rayos cósmicos

a)_ Partículas secundarias producidas por los rayos cósmicos en la atmósfera: los neutrinos

Los rayos cósmicos son partículas de alta energía que zumban a través del espacio a una velocidad cercana a la de la luz y azotan nuestro planeta constantemente. Este implacable bombardeo crea un cóctel de partículas secundarias en la atmósfera que llueven sobre el suelo. Estas últimas según el nuevo documento, dejan marcas permanentes en los cristales.

Un breve video que muestra la detección de rayos cósmicos en una cámara de niebla.
Estas partículas subatómicas de alta energía, en su mayoría protones, llueven continuamente sobre nosotros desde todo el universo, pero normalmente las desconocemos por completo. Grabado en la Exposición de Verano de la ‘Royal Society’ en Julio de 2012.
Crédito: Stephen Curry.

No todas las huellas dejadas por estas partículas secundarias son útiles. Por ejemplo, los cristales que se encuentran cerca de la superficie terrestre contendrían huellas de muchas fuentes diferentes, lo que los haría difíciles de analizar. Es por eso que uno puede tener que ir más profundo.

Los neutrinos se encuentran entre las partículas creadas cuando los rayos cósmicos golpean nuestra atmósfera. A diferencia de las otras partículas, los neutrinos son tan débilmente interactivos que pueden atravesar fácilmente todo nuestro planeta sin chocar con un átomo. Esta débil interactividad de los neutrinos es un arma de doble filo. Hace que la observación de neutrinos sea difícil, porque la mayoría de ellos pasarían directamente a través del detector. Pero también proporciona una forma única de detectarlos, buscándolos bajo tierra, en profundidades donde ninguna otra partícula puede llegar.

b)_Calculando la intensidad de los rayos cósmicos durante los últimos mil millones de años: las huellas de los neutrinos

El nuevo artículo sugiere que los científicos deberían poder calcular la intensidad de los rayos cósmicos durante los últimos mil millones de años. Basta para ello contar las huellas dejadas por los neutrinos atmosféricos en los cristales subterráneos profundos. Los investigadores podrían, en teoría, determinar la edad de los cristales individuales usando la datación radioactiva. Luego, contar las pistas de neutrinos dentro de los cristales e inferir a partir de eso cómo ha cambiado el ataque de los rayos cósmicos con el tiempo.

Por ejemplo, tienes dos cristales aproximadamente el mismo tamaño. Uno que muestra 200 pistas de hace mil millones de años y otro que muestra 300 de hace 1.100 millones de años. Entonces podría decir que algo sucedió durante el tiempo intermedio que aumentó el flujo de rayos cósmicos que llegaron a la Tierra. También podrá ver cambios a más largo plazo en la afluencia promedio de rayos cósmicos a lo largo del tiempo.

«Las fuentes de los rayos cósmicos son todavía una cuestión abierta», dijo Johnathan Jordan, Físico de la Universidad de Michigan en Ann Arbor. «Se espera que las explosiones de supernovas formen parte de la fuente de los rayos cósmicos. Y luego, el campo magnético del Sol y la Tierra también juega un papel importante. Configura la forma en que los rayos cósmicos ingresan a nuestra atmósfera».

«Existen métodos similares [para estudiar los rayos cósmicos] usando anillos de árboles y sedimentos y tal vez núcleos de hielo. Pero sus escalas de tiempo están en el rango de cien mil hasta unos pocos millones de años, no miles de millones», dijo Evenson. Los métodos que miran más atrás en el tiempo podrían producir datos sobre la historia de la actividad solar. Estos pueden arrojar luz sobre las fluctuaciones climáticas a largo plazo de nuestro planeta.

Limitaciones y desafíos terrenales

a)_ Ubicando las muestras

«Hay una broma que cuento a mis estudiantes a menudo, tal vez con demasiada frecuencia, que es mi receta para el estofado de conejo», dijo Evenson. «El primer elemento de la receta es: Atrapa el conejo».

La lección, aplicada a las pistas de neutrinos, es: Primero encuentra los cristales. Existen laboratorios subterráneos o pozos donde los investigadores pueden ubicar muestras, dijo Jordan. Eso siempre que los científicos tengan la capacidad de excavar y analizarlas en ese mismo momento. «Esencialmente, no se puede llevar la muestra a la superficie y transportarla a otro laboratorio para su análisis. Es así, porque tan pronto como la lleve a la superficie, se estropeará con todo tipo de radiación de fondo».

b)-El problema de la latitud

Esto todavía puede parecer algo factible dada la cantidad de laboratorios subterráneos que ya existen, pero otro asunto puede complicar más la logística del experimento propuesto. Para los rayos cósmicos dentro del rango de energía relevante para el experimento, los efectos dependientes de la latitud debido al campo geomagnético tendrían un impacto.

«Entonces, si miras una muestra en Japón en comparación con alguna de América del Sur, es posible que veas algunos números muy diferentes», dijo Thomas Gaisser. Él es Astrofísico también de la Universidad de Delaware. Tanto Gaisser como Evenson han trabajado para el observatorio de neutrinos IceCube. Éste utiliza detectores enterrados a kilómetros de profundidad en el hielo antártico para capturar breves destellos producidos por neutrinos.

Para obtener una buena imagen de todo el planeta, idealmente se necesitarían muestras de todo el mundo. Sin embargo, si eso no se puede lograr, dijo Jordan, los científicos aún pueden hacerse una idea de los efectos geomagnéticos locales. Para ello, pueden observar las pistas de «fondo» más cortas hechas por otras partículas, al menos cualitativamente.

Según el documento, un trozo de 100 gramos de una sal de mil millones de años debería contener unas 60.000 pistas de neutrinos atmosféricos. Si bien el número parece grande, esto se traduce en solo una pista por cada 16.667 años.

c)_ Una baja resolución temporal.

Cuando se combina con otras incertidumbres, como la datación de la muestra, la resolución temporal es aún menor. Algunas de estas incertidumbres pueden mitigarse con muestras más grandes, que serían más difíciles de obtener y analizar. Pero algunas, como la incertidumbre de la datación, «van a aparecer sin importar qué», dijo Jordan. Sin embargo, agregó que el método sería útil para ver cambios durante decenas de millones de años. Esto es así, ya que nuestro Sistema Solar visitó diferentes partes de la Vía Láctea en su órbita de 230 millones de años.

“Estamos en la etapa en la que decimos, ‘aquí está el caso de la física para esto’. Pero cuando se trata de la logística real de los experimentos, todavía no estamos allí «, dijo Jordan.

Fuente: Astronomy Magazine / Inside Science.

Artículo original: «The history of cosmic rays is buried beneath our feet«. Yuen Yiu.  January 12, 2021.

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