Esta ruptura denominada "empeine" o "instep" sugiere que la frecuencia de los rayos cósmicos disminuye considerablemente más allá de 10 exaelectronvoltios (EeV). Además, la colaboración observa que las inflexiones del espectro se encuentran de forma idéntica en todas las direcciones, lo que implicaría que son emitidos por las mismas fuentes extragalácticas en todas partes del Universo.
Vista artística de una lluvia de partículas generada por rayos cósmicos, sobre la llanura argentina donde están instalados los sensores del Observatorio Pierre Auger.
A. CHANTELAUZE, S. STAFFI, L. BRET
Hace más de 20 años que la colaboración Auger, en la que participan varios grupos de CNRS Nuclear y Partículas, lleva a cabo la investigación sobre los rayos cósmicos, estas partículas procedentes del espacio que bombardean constantemente nuestra atmósfera. Más de 20 años que la red de detectores de Cherenkov extendida sobre 3000 km2 capta los rayos cósmicos de ultra alta energía (UHECR, por sus siglas en inglés), con el objetivo de comprender algún día de dónde vienen estos mensajeros cósmicos y qué bestias celestes nos los envían.
El estudio publicado el 9 de diciembre en la revista Physical Review Letters por la colaboración, sin desvelar todavía el misterio sobre la fuente de los UHECR, constituye un paso importante hacia la comprensión de este fenómeno al caracterizar con mayor precisión su frecuencia y su distribución.
Los UHECR están constituidos por partículas de materia, como protones o núcleos atómicos acelerados a energías que harían babear al LHC del CERN. Su carrera desenfrenada a través del cosmos termina cuando producen una lluvia de partículas al contacto con la atmósfera terrestre.
Cuando una de estas lluvias se despliega en el cielo nocturno de los Andes argentinos, una porción de estas partículas, muones, electrones y fotones, será captada por los cientos de tanques de detección y los cuatro telescopios de Cherenkov de la colaboración Auger. A partir del análisis de estas lluvias, los físicos y las físicas obtendrán información crucial, como la energía y la dirección de los UHECR. El resultado publicado en Physical Review Letters se basa en una compilación de 20 años de estos datos recogidos pacientemente por la colaboración.
Confirma la existencia de un fenómeno bautizado como "instep" o "empeine" en español en el espectro de los UHECR, es decir, la curva que describe la frecuencia de los eventos en función de su energía. Estudios anteriores ya habían insinuado la existencia de esta ruptura situada entre dos rupturas conocidas desde hace mucho tiempo - el tobillo (ankle) y la punta del pie (toe) - su existencia en el espectro de los UHECR ya no plantea dudas. Este "empeine" refleja una disminución marcada de la frecuencia de los UHECR más allá de 10 exaelectronvoltios, energía a la cual la mayor parte del flujo de rayos cósmicos estaría constituido por núcleos más pesados que el hidrógeno.
Pero el nuevo análisis del colectivo Auger no se limita a confirmar la existencia de esta estructura. Hasta ahora, solo se consideraban las partículas que llegaban con un ángulo cenital inferior a 60°, porque la reconstrucción de la señal se vuelve más compleja cuando la llegada es rasante, debido a los efectos del campo magnético terrestre, que modifica la trayectoria de las partículas cargadas. Esta vez, gracias a la elaboración de capas que permiten reconstruir los eventos teniendo en cuenta la influencia del campo magnético, el equipo ha extendido su estudio hasta 80°, permitiendo cubrir aproximadamente el 75 % de todo el cielo. Este aumento masivo de la zona observada ofrece un panorama mucho más completo y estadísticamente robusto.
Y el resultado es claro: el empeine descubierto por la colaboración aparece en todas partes, independientemente de la región del cielo observada. Este carácter uniforme sugiere fuertemente que esta estructura no proviene de una fuente aislada o de un fenómeno local, sino más bien de un conjunto de numerosos aceleradores cósmicos extragalácticos, que funcionan según procesos físicos similares. En otras palabras, las partículas más energéticas que alcanzan nuestra atmósfera parecen ser producidas en diversos objetos situados muy más allá de la Vía Láctea, probablemente en entornos astrofísicos extremos.
La homogeneidad identificada por Auger representa una nueva restricción valiosa para los modelos teóricos que buscan explicar cómo estas partículas pueden ser aceleradas a tales energías. Esfuerzos teóricos que pronto podrán beneficiarse del flujo de datos de un observatorio con prestaciones mejoradas por AugerPrime, que será explotable muy pronto.