El 27 de mayo de 2021, una partícula extremadamente energética procedente del espacio profundo impactó contra 23 de los detectores de superficie situados en la zona noroeste del Telescope Array, una infraestructura de 700 kilómetros cuadrados ubicada en el desierto de Millard, en Utah, Estados Unidos. El nivel de energía detectado por los centelleadores fue de 244 exaelectronvoltios (EeV), lo que lo sitúa en lo más alto del registro histórico, solo por detrás de la famosa partícula Oh-My-God (Oh, dios mío) detectada en 1991, el rayo cósmico más energético jamás observado, con un nivel de energía de 320 EeV.
Esta vez, la partícula no solo es extremadamente energética, sino que presenta una característica interesante: los científicos no tienen ni idea de qué fenómeno cósmico procede y cuál puede ser su origen. “Nos encontramos con un nuevo misterio de una partícula extremadamente energética proveniente de una dirección de llegada inesperada”, explica Toshihiro Fujii, investigador de la Universidad Metropolitana de Osaka, a elDiario.es. Él y un equipo internacional de investigadores presentan el descubrimiento en un artículo publicado este jueves en la revista Science en el que detallan que en la la región del cosmos de la que procede no aparece ninguna fuente obvia. “Cuando vi los datos lo primero que pensé es que se trataba de un error, pero en cuanto empezamos a comprobar los detalles, mi entusiasmo fue en aumento”, recuerda el investigador.
Procedente del vacío
Los rayos cósmicos de ultra-altas energías (UHECR, por sus siglas en inglés) son partículas subatómicas cargadas procedentes del espacio con energías superiores a 1 EeV, aproximadamente un millón de veces la energía alcanzada por los aceleradores de partículas fabricados por el hombre, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Mientras que los rayos cósmicos de baja energía emanan principalmente del sol, los UHECR son mucho más raros e infrecuentes y están relacionados con los fenómenos más energéticos del universo, como los que involucran agujeros negros, explosiones de rayos gamma y núcleos galácticos activos.
La región de la que parece proceder la nueva partícula detectada es un enorme vacío en la estructura a gran escala del universo, una zona del cosmos donde residen muy pocas galaxias. Esto no quiere decir que venga de allí, pues una de las características de la trayectoria de estas partículas es que sufren las más variadas desviaciones en su travesía cósmica, pero se supone que cuanto más energéticos son, más directo es su camino. Ante esta contradicción, los autores sugieren que el hallazgo podría indicar una desviación magnética mucho mayor que la predicha por los modelos de campo magnético galáctico, una fuente no identificada en el vecindario extragaláctico local o una comprensión incompleta de la física de partículas de alta energía asociada.
Los autores han llamado a la particula "Amaterasu", en honor a la diosa del sol relacionada con la creación de Japón
“No se ha identificado ningún objeto astronómico prometedor que coincida con la dirección desde la que llegó el rayo cósmico, lo que sugiere posibilidades de fenómenos astronómicos desconocidos y orígenes físicos novedosos más allá del modelo estándar”, asegura Fujii. Esta vez, él y su equipo han elegido un nombre menos tremendista que el conocido “Oh-My-God” y se han decantado por llamarla “Amaterasu”, en honor a la diosa del sol que, según las creencias sintoístas, jugó un papel decisivo en la creación de Japón.
Fujii cree que que los datos quizá nos ofrezcan información sobre escenarios exóticos como la desintegración de materia oscura súper pesada, o nuevas partículas desconocidas hasta ahora por la física. “Como decía uno de mis supervisores cuando estudiaba en Chicago, el premio Nobel de Física James Cronin, el mayor placer que puede vivir un científico es descubrir algo inesperado”, asegura.
Las partículas más energéticas del universo
“Se trata de uno de los rayos cósmicos más energéticos jamás descritos”, asegura Enrique Zas, catedrático de Física Teórica de la Universidad de Santiago (USC) y representante en España del Observatorio Pierre Auger, en el hemisferio sur. “Cuanto mayor es la energía del rayo cósmico detectado hay más restricciones sobre dónde pueden estar estos objetos”, apunta. “Esto hace que los rayos cósmicos de mayor energía sean muy interesantes, más allá de que simplemente destaquen por constituir las partículas más energéticas del universo”. Por otro lado, los rayos cósmicos de energías tan elevadas interaccionan con el fondo de microondas, lo que limita la distancia que pueden recorrer. “Por tanto, cuanta más energía tengan, más pequeña y más cercana será la región del universo en la que tenemos que buscar dichas fuentes”, señala Zas. “La dirección de llegada de estos rayos cósmicos apunta aproximadamente a la región de donde provienen, casi como si viajaran en línea recta, restringiendo más la zona donde buscar la fuente”.
El hecho de no hallar nada en la dirección de la que proviene este fenómeno es contradictorio porque, al ser tan energética, la partícula cargada primaria originaria sufre menos desvíos por los campos magnéticos que se interpone desde la fuente que lo haya originado y nosotros, incide Alberto Castro-Tirado, astrofísico del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) experto en astronomía en altas energías. En este caso, subraya, todo apunta a una zona particularmente desprovista de galaxias tanto en nuestro supercúmulo Local como más allá de él. “Y eso es lo relevante, porque plantea varios interrogantes: si el desvío producido por los campos magnéticos intermedios es mayor del predicho por los modelos, o que existan otras partículas primarias (aún desconocidas) constituyentes de los rayos cósmicos que pudieran ser inmunes al fondo de radiación de microondas”.
El físico de partículas Antonio Bueno Villar, catedrático de la Universidad de Granada (UGR) y experto en rayos cósmicos, recuerda las dificultades de detectar este tipo de partículas y el alto nivel de incertidumbre en sus mediciones. “Los flujos esperados de este tipo de partículas son tan débiles (en promedio, menores a una partícula por kilómetro cuadrado y por siglo), que los detectores actuales son demasiado pequeños para permitirnos extraer conclusiones estadísticamente relevantes sobre dónde se producen y cómo se aceleran estos núcleos atómicos”, advierte. Transformar las señales detectadas en unidades de energía, insiste, requiere de unos procesos de calibración complicados y laboriosos, no exentos de posibles incertidumbres que hacen que esta medida haya de ser tomada con extrema cautela, pues uno no mide directamente la partícula original, sino solo una parte de la progenie que genera el rayo cósmico al colisionar en la atmósfera. “Aquí el estado inicial es inaccesible y por tanto un completo misterio: no sabemos qué partícula llegó a la Tierra ni con qué energía”.
Diferencia entre hemisferios
En la actualidad solo existen dos detectores capaces de medir estas partículas, uno en el hemisferio Norte (Telescope Array, en el que se basa este artículo) y otro en el sur (el Pierre Auger), que es el más preciso y en el que Enrique Zas lleva trabajando más de 20 años. “Hasta el momento los rayos cósmicos más energéticos registrados proceden de datos de distintos detectores del hemisferio norte”, afirma. La energía máxima medida en el observatorio Pierre Auger es 166 EeV, por detrás de los 244 EeV del descrito en este artículo y otros eventos de energías comparables fueron registrados en los años 1991, 1993 y 2001 con otros detectores que los precedieron y que también estaban ubicados en el hemisferio norte.
La clave podría radicar en que el flujo de rayos cósmicos en ambos hemisferios es diferente, lo cual sería un hallazgo fundamental
¿Por qué esta diferencia entre el norte y el sur? Pese a lo que podría pensarse, indica Zas, no se debe a que tengamos más datos del hemisferio norte, puesto que el observatorio Pierre Auger es bastante más grande. “La clave podría radicar en que el flujo de rayos cósmicos en ambos hemisferios es diferente, lo cual sería un hallazgo fundamental”, señala. “Otra explicación puede ser que, al tratarse de detectores diferentes, tengan diferentes escalas, es decir que las medidas de un experimento estén sistemáticamente por encima de las del otro (como también se argumenta en el artículo)”.
Antonio Bueno también cree que la explicación puede estar en las diferentes formas de medir. “Técnicamente nuestra medida en Pierre Auger es más precisa porque usamos solo la información de los datos experimentales para convertir señales detectadas en energía, mientras ellos usan simulaciones”, comenta. “Estas simulaciones sabemos que contienen imprecisiones que no describen bien las medidas que se hacen a estas energías. Por eso sus errores de medida en la energía son tan grandes (un 30-40% del valor estimado que dan). Nosotros medimos con menos de la mitad de precisión (un 14% aproximadamente)”. Por otro lado, los detectores de superficie y las técnicas de calibración y medida empleadas son diferentes. “Por tanto, no es de extrañar que los flujos y las energías medidas en esta zona común del cielo difieran”, asegura.
Explorar esas nuevas ventanas de energía es clave para entender cómo funciona el universo a diversas escalas
En cualquier caso, los especialistas señalan la importancia de que los experimentos de rayos cósmicos de ultra-alta energía que operan en los dos hemisferios sigan con su toma de datos, pues nos dan acceso a energías a las que la humanidad no puede ni acercarse con las técnicas actuales de aceleración de partículas de las que disponemos. En palabras de Antonio Bueno, explorar esas nuevas ventanas de energía es clave para entender aspectos complementarios de la física: por un lado avanzar en nuestro conocimiento de la física de partículas (las escalas de distancias más pequeñas) y, por otro, entender cómo funciona el universo a las grandes escalas, donde tienen lugar los procesos energéticamente más violentos. “Por tanto, este es un paso más, muy fundamental en nuestra búsqueda, pero necesitamos más sucesos de estas características”, concluye. “Es decir, detectores más grandes y con mejores prestaciones para intentar dar una respuesta clara a cuáles son los objetos que producen estas partículas y cuáles son los mecanismos capaces de conferir tan descomunales energías”.