Una partícula ultrapesada podría ayudar a explicar uno de los misterios más desconcertantes de la astrofísica moderna: el origen de las partículas más poderosas jamás detectadas.
Los rayos cósmicos de energía ultraalta son partículas del espacio que golpean la Tierra con una energía superior a la producida por los aceleradores de partículas fabricados por el hombre. Uno de los ejemplos más notables es la “partícula Amaterasu”, detectada por un conjunto de telescopios en Utah en 2021 y que lleva el nombre de la diosa del sol en la mitología japonesa. Su fuerza reportada la coloca en la misma categoría rara que la “Partícula Dios mío” registrada en 1991, colocándola entre los eventos de rayos cósmicos más poderosos jamás observados. Sin embargo, los científicos aún no saben de dónde vino, ni siquiera qué era exactamente.
Rayos cósmicos ultrapesados
Se ha publicado una nueva investigación dirigida por científicos de Penn State carta de revisión física Sugiere que algunos de los rayos cósmicos de mayor energía pueden dar lugar a núcleos atómicos más pesados que el hierro. El núcleo atómico es el centro compacto del átomo, formado por protones y neutrones. Contienen casi toda la masa de un átomo y ocupan sólo una pequeña fracción de su volumen total.
Según los cálculos del equipo, estos núcleos superpesados pueden perder energía más lentamente que los protones o los núcleos ligeros cuando atraviesan el espacio intergaláctico. Esto significa que pueden sobrevivir al viaje a la Tierra y al mismo tiempo transportar cantidades extremas de energía. El trabajo, realizado con colaboradores del Instituto Yukawa de Física Teórica de Japón, Virginia Tech y otras instituciones, podría ayudar a los científicos a identificar los tipos de objetos cósmicos lo suficientemente potentes como para lanzar tales partículas.
“Los rayos cósmicos de energía ultraalta sólo pueden ser acelerados por algunas de las fuentes más poderosas del universo”, dijo Kohta Murase, profesor de física, astronomía y astrofísica en la Facultad de Ciencias Eberly de Penn State y líder del equipo de investigación. “Cuando detectamos aquí en la Tierra partículas individuales de rayos cósmicos como la partícula Amaterasu, a menudo podemos utilizar su energía, dirección de llegada y desviaciones magnéticas esperadas para inferir sus posibles orígenes cósmicos”.
El misterio de las partículas de Amaterasu
La partícula Amaterasu es particularmente difícil de interpretar porque su dirección estimada de llegada apunta hacia un vacío cósmico, una región del espacio sin fuente aparente capaz de producir rayos cósmicos de energía ultra alta.
“El origen y el proceso de aceleración de los rayos cósmicos de energía ultraalta ha estado entre los mayores misterios en este campo durante más de 60 años, desde que se informó del primer ejemplo”, dijo Murasse.
Estas raras partículas pueden superar los 100 electronvoltios x o los 100 quintillones de electronvoltios. Esto las convierte en aproximadamente siete órdenes de magnitud, o 10 millones de veces más poderosas, que las partículas aceleradas dentro del Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más grande y poderoso del mundo. Se informó que la partícula de Amaterasu tenía aproximadamente 240 electrones x voltios, lo que le da a una pequeña partícula de rayos cósmicos aproximadamente la energía cinética de una pelota de tenis que se mueve rápidamente. Esto lo convierte en uno de los rayos cósmicos más poderosos jamás detectados.
“Se cree que estos rayos cósmicos de alta energía provienen de fuentes astrofísicas extremas, como la colisión de dos estrellas de neutrones o el colapso de una estrella masiva”, dijo Murasse. “Para muchos eventos de rayos cósmicos tomados en conjunto, su distribución de energía, patrón de dirección de llegada y composición estadísticamente inferida proporcionan pistas importantes sobre de dónde provienen estas partículas y cómo se aceleran”.
Simulación extrema de partículas
Para investigar qué tipo de partículas aún podrían llegar a la Tierra con energías tan extraordinarias, los investigadores realizaron simulaciones detalladas por computadora. Modelaron cómo partículas de diferentes tamaños ganarían o perderían energía a medida que viajaban a través del espacio intergaláctico.
“Nuestro estudio muestra que a energías comparables a las partículas de Amaterasu, los núcleos ultrapesados pierden energía más lentamente que los protones o los núcleos de masa intermedia, lo que les permite sobrevivir distancias cósmicas y llegar a la Tierra con energías extremas”, dijo Murasse. “No estamos diciendo que todos los rayos cósmicos de energía ultraalta sean núcleos súper pesados. Pero si algunos de los eventos de mayor energía son núcleos súper pesados, eso afectará la forma en que buscamos sus fuentes”.
Los cálculos del equipo establecen nuevos límites sobre cuánto pueden contribuir estos núcleos superpesados a la población total de rayos cósmicos de energía ultraalta observados.
Orígenes cósmicos violentos
“Los sitios más prometedores para la creación y aceleración de tales núcleos ultrapesados son las muertes de estrellas masivas que involucran colapsos explosivos en agujeros negros o estrellas de neutrones fuertemente magnetizadas, así como las fusiones binarias de estrellas de neutrones conocidas como fuertes emisores de ondas gravitacionales”, dijo Murasse. “Estos violentos eventos cósmicos también pueden impulsar explosiones de rayos gamma, que se encuentran entre las explosiones más poderosas del universo. Una contribución de estas fuentes también podría ayudar a explicar las posibles diferencias observadas entre el cielo norte y sur en el espectro de rayos cósmicos de energía ultra alta. Si contribuye significativamente al espectro de rayos cósmicos de energía ultra alta, debería indicar un pico futuro. Una composición más pesada que el hierro”.
Es posible que observaciones futuras puedan poner a prueba estas ideas. Murasse dijo que las instalaciones de próxima generación, incluido el propuesto AugerPrime en Argentina y el propuesto Observatorio Global de Rayos Cósmicos, podrían buscar las firmas previstas. Trabajos teóricos adicionales sobre explosiones cósmicas que involucran agujeros negros y estrellas de neutrones fuertemente magnetizadas también pueden ayudar a revelar dónde se originan los rayos cósmicos de energía ultraalta.
Junto con Muras, el equipo de investigación B. Theodore Zhang, investigador postdoctoral en el Instituto Yukawa de Física Teórica de la Universidad de Kyoto y ex investigador postdoctoral en Penn State en el momento del estudio; Mukul Bhattacharya, becario postdoctoral de Eberly en Penn State durante la investigación; y Nick Ekanger y Shunsaku Horiuchi, que estaban en Virginia Tech durante la investigación.
