La radiació còsmica

Fa cent anys el físic austríac Viktor Hess, després de les seves observacions sobre la descàrrega d’un electròmetre a diverses altituds mitjançant globus aerostàtics, va publicar a la revista Physikalische Zeitschift un treball amb el títol “Sobre l’origen de la radiació penetrant”, en el qual afirmava que “...els resultats de les meves observacions s’expliquen millor amb la hipòtesi que una radiació d’un gran poder de penetració entra a la nostra atmosfera des de dalt...”. Atès que aquesta radiació havia de tenir càrrega elèctrica i que arribava fins i tot durant els eclipsis, aparentment es tractava de protons i tenien un origen de fora del sistema solar, un origen galàctic. Va ser el descobriment del que uns anys més tard Robert Millikan en va anomenar radiació còsmica.

Durant els cent anys transcorreguts des del descobriment hi ha hagut molta activitat sobre la naturalesa i l’origen d’aquestes radiacions i, des del 1947, cada dos anys se celebra una conferència internacional sobre la radiació còsmica (ICRC). La darrera va tenir lloc l’estiu del 2023 al Japó (ICRC2023), amb un extens programa que no només incloïa la radiació còsmica sinó també altres matèries que han anat apareixent i que ens donen una idea de com és de complex l’Univers que contemplen en una nit d’estiu i que, llevat de la caiguda d’estels, sembla ser tan estàtic. Els grans temes del congrés, a més dels raigs còsmics, van ser l’astronomia de raigs gamma, l’astronomia i la física de neutrinos, la física de la matèria fosca, la física solar i heliosfèrica, l’astronomia “multimessenger” (terme nou que indica que s’estudia qualsevol mena de missatgers de l’Univers) i un gran tema nou: l’astronomia d’ones gravitacionals. El treball fet en les diverses temàtiques de l’ICRC2023 quasi és tan abundant com gran és el desconeixement que tenim d’alguns dels fenòmens estudiats.

Una característica molt interessant de la radiació còsmica és el seu molt ampli espectre d’energies. Ens arriba radiació des d’energies relativament baixes, de l’ordre dels 10⁹ eV, equivalent a l’energia corresponent a la massa del protó, fins a energies de més de 10²⁰ eV (recordem que 1 eV és l’energia que adquiriria un electró si el sotmetessin a una diferència de potencial d’1 volt). Per comparar, l’accelerador més gran existent, el Large Hadron Collider del CERN, assoleix energies de 10¹³ eV, de manera que la mare natura ens subministra partícules 10 milions de vegades més energètiques que l’LHC. Una altra comparació pot ser dir que 3 × 10²⁰ eV és l’energia del servei d’una pilota de tenis a ∼160 km per hora. Així, els raigs còsmics més energètics tenen energies enormes.

Però el nombre de raigs còsmics que ens arriben és molt diferent segons sigui la seva energia. Mentre que de raigs de 10¹¹ eV n’arriben a l’alta atmosfera, aproximadament, 1 per metre quadrat cada segon, de 10¹⁶ eV n’arriben 1 per metre quadrat cada any, i de les partícules més energètiques, menys d’una per kilòmetre quadrat cada any, de manera que és molt difícil recollir-ne un nombre suficient per poder-los estudiar.

Això són els raigs còsmics “primaris” que arriben a l’alta atmosfera. Sortosament per als humans l’atmosfera ens protegeix dels raigs còsmics primaris, com també ens protegeix dels raigs X i gamma. Els primaris energètics, quan topen amb un àtom de nitrogen de l’atmosfera desencadenen una extensa dutxa de partícules secundàries relativistes que van perdent energia, fins quan ja no en produeixen més i, principalment en forma d’electrons, fotons i muons arriben a la superfície, on poden ser estudiats per deduir-ne les característiques del raig primari. Aquestes dutxes poden consistir en més de 1.000 secundaris en un conus que apunta en la direcció del primari. Van perdent energia fins que ja no produeixen més secundaris amb un nombre màxim de secundaris cap als 10 km d’altitud en un procés que dura unes mil·lèsimes de segon.

Si els raigs còsmics presenten encara moltes incògnites, en presenten moltes més els de les energies més altes, els que es coneixen amb el nom d’UHECRONS (d’Ultra High Energy Cosmic Rays, amb el final “on” propi de les partícules elementals), que superen les energies dels més grans acceleradors. Des que en la dècada de 1960 es va trobar un esdeveniment de 10²⁰ eV d’energia a Volcano Ranch s’han anat construint molts detectors d’aquestes partícules en diferents llocs del món. En general són detectors de fluorescència que fan servir l’atmosfera com a detector i detectors de centelleig posats a la superfície. Els dos detectors més grans en funcionament són el Pierre Auger, a l’Argentina, i el Telecope Array, al desert d’Utah (EUA). Si bé aquests dos grans projectes han donat certs coneixements sobre els UHECRONS, encara hi resten moltes incògnites, algunes de les quals potser s’aclariran amb les ampliacions que se n’estan duent a terme.

Aquesta dècada probablement es posaran en marxa altres grans projectes per aportar informacions addicionals amb l’estudi del que s’anomena l’astronomia de múltiples missatgers (multimessenger) i estudiant no només els UHECRONS sinó també altres missatgers molt energètics com ara els neutrinos i les ondes gravitacionals.

Qui estigui interessat en conèixer més a fons aquest tema i els projectes de futur pot veure el treball que, recentment, vaig presentar a la Reial Acadèmia de Ciències i Arts de Barcelona i que és al canal Youtube de l’Acadèmia.

Imatge de capçalera: Imatge de GarryKillian a Freepik