“Un entendimiento completo de como éstas partículas son producidas y aceleradas podría dar información sobre la unificación de las fuerzas de la naturaleza.”
‘Estas partículas’ son rayos cósmicos de ultra alta energía ~1020 eV, energías de pelotas de tenis, las partículas para las que el Observatorio Pierre Auger fue diseñado.
Durante el viaje de los rayos cósmicos de más alta energía a través del cosmos, ellos se encuentran con los fotones de radiación de microondas de 2.7 K, un remaneciente del “Big Bang”. Estos fotones son vistos como rayos gammas de alta energía en el sistema de referencia del protón y ocurre una interacción en la cual se forman nuevas partículas, y como consecuencia de esto, el protón pierde energía. La reacción se puede expresar como:
Esta interacción introduce un límite a la distancia de la cual estas partículas muy energéticas pueden venir que es de 150 millones de años luz para energías de 1020 eV.
Debido a que los rayos cósmicos de más alta energía son muy poco desviados por los campos magnéticos de nuestra galaxia – y aún menos por los campos débiles del espacio intergaláctico – nosotros deberíamos ser capaces de mirar en el sentido contrario a la dirección de llegada de estos y encontrar su origen. Hasta ahora, sin embargo, no se ha podido relacionar ninguno de los eventos de rayos cósmicos con energía mayores a 1020 eV con una posible fuente en el cosmos! De donde vienen?
De donde las partículas ultra energéticas obtienen dicha energía?
De donde quiera que ellas llegan, las partículas de mas alta energía guardan los secretos de los comienzos del Universo, debido a sus altísimas energías, millones de veces más grandes que la energía más alta que se puede obtener con los aceleradores de partículas en la tierra. No conocemos ninguna fuente en el cosmos capaz de generar tales energías, ni siquiera a partir de la potencia producida por las más violentas explosiones de estrellas, aunque todavía hay mucha especulación sobre eso.
El mecanismo de aceleración de Fermi proporciona una explicación de como los rayos cósmicos a energías tan altas como 1015 eV pueden producirse. Sin embargo, el tamaño de la galaxia y la intensidad del campo magnético disponible no son lo suficientemente grandes para acelerar partículas a energías mayores que esta. Por lo tanto, un mecanismo natural de aceleración más poderoso debe ser responsable por la energía elevada de los rayos cósmicos que observamos; y esos aceleradores poderosos deben de encontrarse fuera de nuestra galaxia. Los rayos cósmicos podrían ser producidos en galaxias de núcleos activos o en choques de galaxias, ejemplos que se encuentran en las imágenes abajo. En efecto, los rayos cósmicos de energías mayores que 1020 eV no pueden ser fácilmente confinados por los débiles campos magnéticos de las galaxias, lo que también sugiere que sean de origen extragaláctico.
Cuestiones Cosmológicas
Cosmólogos – científicos que estudian la estructura y la dinámica del universo – ofrecen otra posible explicación para el misterio del origen de los rayos cósmicos ultra energéticos. Cosmólogos predicen que el universo podría estar lleno de reliquias remanentes del Big Bang – objetos hipotéticos, llamados defectos topológicos, con nombres como “cuerdas cósmicas”, “paredes de dominios”, y “monopolos” o partículas super-pesadas con nombres exóticos como “cryptones”, “vortones” o “wimpzillas”. Aunque estos objetos extraños podrían tener un papel teórico importante en la evolución del universo, no tenemos evidencia experimental que muestre que realmente existen. Por lo tanto, si existen, y si algunas veces ellos colapsan o decaen, pueden liberar suficiente energía como para crear un rayo cósmico de ultra alta energía. Si pudiésemos realizar una conexión, por ejemplo, entre los rayos cósmicos de más alta energía y el colapso de estos defectos topológicos, esto daría evidencia experimental de la existencia de estos defectos topológicos y sería por lo tanto, un paso importante en el entendimiento del universo temprano. Las partículas super-pesadas podrían formar aglomeraciones constituyendo halos de las galaxias y podrían ser identificadas mediante la observación de excesos de rayos cósmicos viniendo de esas direcciones.