Uno de los problemas de divulgar la Ciencia mediante el espectáculo, como usando experimentos vistosos y sorprendentes, es que después no podemos hacer entender al público que la Ciencia de verdad, los verdaderos experimentos bellos y espectaculares, no son así. Generalmente, los experimentos mas bellos tienen la forma de un humilde pico en un gráfico, un pequeño destello o un número. Su espectacularidad está detrás, en el fenómeno que muestran; su belleza, en el pensamiento que hay tras ese humilde gráfico.
Vamos a ver un pequeño ejemplo: un experimento que permite visualizar los rayos cósmicos, que puede realizarse perfectamente en el ámbito de la enseñanza, que nos ayuda a entender qué son y su sorprendente relación con algunas cosas.

Radiación cósmica

Los rayos cósmicos bombardean nuestro planeta y son responsables de una parte de la radiación que recibimos todos los días. Están compuestos por particulas cargadas eléctricamente: protones acelerados a energías altísimas, también por nucleos de helio (junto con los protones componen el 99% de los rayos cósmicos) y una pequeña cantidad de núcleos de elementos mas pesados, electrones, antimateria (antiprotones y positrones). También forman parte de los rayos cósmicos las partículas Oh Dios mío (Oh-My-God particles, llamadas así porque los físicos que las descubrieron en 1991 exclamaron “Oh Dios mío!” al ver su energía). Estas son las partículas mas energéticas del universo, con una energía 40 millones de veces mayor que los protones de alta energía de los rayos cósmicos y cuyo origen es un misterio. Parecen proceder de un solo punto, en la zona de la constelación de la Osa Mayor, pero no se sabe cómo se producen, con lo cual no falta quien sugiere que igual son producidas por alienígenas con una tecnología muy avanzada.
 Afortunadamente para la vida en la Tierra, nuestro planeta tiene un escudo protector que la protege de esta constante lluvia de partículas celestiales: su campo magnético, que actúa desviando y concentrando las partículas cargadas en los cinturones de Van Allen. En Marte, que carece de ésta protección natural, la dosis de radiación debida a los rayos cósmicos es aproximadamente 1000 veces mayor.
Impresión artística de una lluvia de rayos cósmicos secundarios generada por un haz de protones (rayos cósmicos primarios). Imagen: ASPERA/novapix/L. Bret
La principal fuente de rayos cósmicos son las supernovas, estrellas que terminan su ciclo vital con una gran explosión que emite enormes cantidades de radiaciones. También proceden del Sol y otras estrellas, emitidos en erupciones solares y acelerados a la velocidad de la luz con energías inalcanzables por nuestros aceleradores de partículas.
Durante el bombardeo de protones, éstos interaccionan con los átomos del aire, provocando cascadas de rayos cósmicos secundarios o lluvias de partículas. Estas cascadas se desencadenan en la alta atmósfera, a unos 10 km de altura, y están formadas fundamentalmente por piones, neutrones, rayos X y partículas alfa. Estas radiaciones provocan reacciones nucleares en la atmósfera, que son sumamente importantes y que dan lugar a la generacion continua de isotopos radiactivos, como el carbono-14, formado a partir del nitrógeno atmosférico, ademas de otro conjunto de elementos radiactivos llamados elementos cosmogénicos.
La formación de carbono-14 es de gran importancia y tiene lugar por la reacción:
n + N-14 = p + C-14
un neutrón reacciona con un átomo de nitrógeno de la atmósfera, generando un átomo de catbono-14, radiactivo.
La atmósfera terrestre contiene unas 70 toneladas de carbono-14, que es absorbido en forma de dióxido de carbono-14 por las plantas y otros organismos fotosintéticos, incorporándose en todos los seres vivos de forma constante (puede parecer que 70 toneladas es mucho, pero el contenido total de carbono en la atmósfera es de unos 3000 billones de toneladas). Cuando el organismo muere, el carbono-14 que contiene empieza a decaer.
Incorporación de carbono-14 generado por rayos cósmicos. Imagen: NSF-Arizona AMS facility. 
Esto proporciona una valiosa técnica de datación a los arquéologos, que pueden determinar con precisión la edad de cualquier material orgánico (como momias y otros cadáveres, ropas y tejidos, etc.).
El famoso “Sudario de Turín”, datado entre los siglos XII y XIV, gracias a los rayos cósmicos, además de otras pruebas, como microscopía forense.
Para entender cómo reacciona la radiación cósmica debemos explicar algunas cosas: En los años 30 del siglo XX los físicos se preguntaban acerca de la naturaleza de la fuerza que mantiene unido al núcleo de los átomos, la llamada interacción nuclear fuerte o “fuerza fuerte”. El físico japones Hideki Yukawa postuló la existencia de una partícula de vida muy corta que se intercambia entre los nucleones del átomo y es responsable de que los nucleones se mantengan unidos manteniendo la estructura del átomo. Como la masa de esta partícula, predicha por Yukawa, es intermedia entre la de un electrón y la de un protón, se propuso el nombre de “mesón“. Por este trabajo Yukawa fué galardonado con el premio Nobel. Es interesante que, antes de que se reconociera su trabajo, el artículo en el que este físico postulaba la existencia del mesón fué rechazado por las revistas en las que intentó publicarlo…
Esquema que ilustra la generación de piones y muones por impacto de un protón de alta energía en un núcleo atómico.

 

Posteriormente, gracias a los rayos cósmicos y para vergüenza de los referees que ridiculizaron el trabajo de Yukawa, se descubrió la partícula predicha por éste, y se la llamó “mesón pi” o “pión“.
Así, cuando un protón energético de los rayos cósmicos choca con un átomo de la atmósfera, se produce una  cascada de piones, desprendidos del núcleo del átomo “agredido”. Los piones son muy inestables, con un periodo de semidesintegración del orden de 10^-8 segundos, transformándose en un “muón“.
El muón es una partícula cargada, muy penetrante con una masa de 207 veces la del electrón. Esta partícula, lanzada a alta velocidad, puede alcanzar la superficie terrestre o incluso penetrar el subsuelo.

Muones: Física de partículas y relatividad en casa

Una de las primeras cosas que llaman la atención del muon es que puede alcanzar la superficie, aunque se forme en la alta atmósfera. El muón tiene una vida media de 2,2 microsegundos, descomponiéndose en electrones y neutrinos. En este tiempo, aunque viaje a la velocidad de la luz, solo podría recorrer unos 600 metros antes de decaer, pero en realidad recorre mas de 10 km. A esta velocidad se produce un efecto relativista: bajo el punto de vista del muón, su vida media sigue siendo la misma, pero bajo nuestro punto de vista el tiempo de la partícula se ha dilatado, multiplicándose por el factor de Lorentz:
Es fácil ver que si la velocidad de la partícula es la de la luz, el factor de Lorentz es infinito. La partícula nunca llegará a la velocidad de la luz, pero puede acercarse asintóticamente a ella, de modo que la vida media observada por nosotros se incrementa tanto que le permite llegar desde la alta atmósfera hasta la superficie. En cierto modo, el muón esta viajando al futuro: para él sólo han pasado 2,2 microsegundos, pero para nosotros han pasado unos 20 microsegundos.
Esquma de una cascada de rayos cósmicos. El protón choca con un átomo de la atmósfera, produciendo piones (letra pi) y neutrones N. Los piones se desintegran en un muón y un neutrino. Los muones, dada su velocidad relativista, recorren una gran distancia antes de desintegrarse.
Para observar ésto tan sólo necesitamos un detector de centelleo, como el que usamos anteriormente para ver la radiación de fondo.
Cristal de un contador de centelleo. La partícula alcanza el cristal y la energía se transforma en fotones, que son detectados y amplificados por un tubo fotomultiplicador.

 

El esquivo y penetrante muón puede ser detectado, ya que es altamente ionizante. En su camino, el muón va depositando energía en la materia circundante hasta que decae. Esta energía depositada se puede detectar y cuantificar si el muon atraviesa el cristal del detector de centelleo. Sabemos que un muón deposita unos 4,5 MeV de energía por centímetro de NaI, por lo tanto espero que mis muones generen un pico en torno a 30 MeV en mi detector, si su trayectoria es vertical. Asi que calibramos la lectura de energía en ese rango, ubicamos el detector de centelleo expuesto apuntando al cielo y medimos:
En efecto ¡funciona! aquí tenemos el pico de muones generados en la alta atmósfera y detectados en la superficie, a unos 750 m sobre el nivel del mar, donde tengo el detector. Esta humilde gráfica es un resultado de un experimento de Física en el que se resume un siglo de estudio de Física de partículas y tecnologia de detección de radiaciones. Este es el aspecto que tienen los resultados científicos mas hermosos y espectaculares. No es algo que se pueda hacer en un escenario para impactar al público. Para apreciar su belleza y alegrarse por el hecho de que se forme la “montaña” a 30 MeV hay que estudiar y pensar. Por eso la Ciencia es algo que requiere tiempo, paciencia y estudio.
La línea vertical inicial se corresponde al rango, no representado, de energía hasta 3 MeV. En esta zona esta la radiación gamma de fondo. Las cuentas decaen a prácticamente cero a partir de 40 MeV: tal como estaba previsto, por encima de 40 MeV se supera la máxima trayectoria posible del muón en el cristal del detector, con lo que es coherente con el hecho de que la energía determinada depende de la geometría del detector. El tiempo de conteo ha sido de 12 horas (una noche), periodo en el cual varios centenares de muones atravesaron el detector. Es curioso pensar en la incesante lluvia de muones que nos atraviesa diariamente…
Esta manera de detectar los muones puede aplicarse en proyectos mas avanzados, como la tomografía de muones que puede servir para el estudio de volcanes y predicción de erupciones utilizando un telescopio de muones:
Telescopio de muones en pruebas de campo para la medición de la densidad de volcanes.

De éste modo, con el telescopio o tomógrafo de tiempo de vuelo (TOF) de muones se puede determinar la estructura interna de un volcán o montaña gracias a los rayos cósmicos. Los diferentes tipos de rocas o magma del interior del volcán atenúan los muones de modo diferente según su densidad.

Esto permite crear un mapa del interior, como en el caso del volcán Iwo-dake, en la isla de Satsuma-Iwojima (Japón):

Si las partículas que forman los rayos cósmicos, además, son ionizantes y depositan energía en la materia circundante…¿que influencia tiene esta energía en la Tierra?. Pues bien, además de generar isótopos radiactivos como el carbono-14, los rayos cósmicos generan relámpagos durante las tormentas. Los relámpagos mas o menos verticales que llegan al suelo, siguen la trayectoria de ionización provocada por una cascada de rayos cósmicos.
Los relámpagos pueden desencadenarse durante las tormentas gracias a los rayos cósmicos.

 

Los rayos cósmicos, además, provocan una parte de los pantallazos azules de windows y otros fallos y reinicios en aparatos electrónicos. Estos fallos se producen cuando un muón interacciona con un chip de memoria o procesador, alterando datos de memoria esenciales para el programa.
Si ves la pantalla azul de la muerte en tu ordenador y no hay razón alguna, el software y el hardware funciona perfectamente…tal vez haya sido por culpa de los rayos cósmicos.

Leave a Reply

Your email address will not be published.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.