Científicos descubren una regla oculta detrás de los rayos cósmicos tras 100 años

Durante más de un siglo, los científicos intentaron desentrañar el misterio de los rayos cósmicos, partículas increíblemente poderosas que recorren el universo a energías extremas. A pesar de décadas de investigación, muchas preguntas sobre su origen y cómo se aceleran permanecieron sin respuesta. Sin embargo, un equipo de investigadores que trabaja con el telescopio espacial DAMPE (Dark Matter Particle Explorer) descubrió una nueva pista importante. Sus hallazgos, publicados en Nature, revelaron una característica común compartida por estas partículas misteriosas y podrían ayudar a los científicos a comprender mejor su origen.

Los rayos cósmicos son las partículas de mayor energía jamás observadas en la naturaleza. Transportan mucha más energía que las partículas producidas por los aceleradores más avanzados de la Tierra. Se cree que son generados por algunos de los eventos más violentos del universo, como explosiones de supernovas, chorros de agujeros negros y púlsares.

El telescopio espacial DAMPE, lanzado en diciembre de 2015, fue diseñado para investigar la naturaleza de los rayos cósmicos y explorar posibles conexiones con la materia oscura. La misión incluye importantes contribuciones del grupo de astrofísica del Departamento de Física Nuclear y de Partículas de la Universidad de Ginebra.

Al examinar datos altamente precisos recolectados por DAMPE, los investigadores descubrieron un patrón universal en los espectros de energía de los núcleos primarios de rayos cósmicos, que van desde protones ligeros hasta núcleos de hierro mucho más pesados.

"Los rayos cósmicos están compuestos principalmente por protones, pero también por núcleos de helio, carbono, oxígeno y hierro", explicó Andrii Tykhonov, profesor asociado en el DPNC de la Universidad de Ginebra y coautor del estudio. "Estas partículas también se clasifican según su energía: baja, hasta unos pocos miles de millones de electronvoltios; intermedia, de unos pocos miles de millones a varios cientos de miles de millones de electronvoltios; y alta, de 1.000 mil millones de electronvoltios en adelante".

Los científicos descubrieron un patrón compartido en los rayos cósmicos

La investigación mostró que para cada tipo de núcleo estudiado, el número de partículas comienza a disminuir mucho más rápido después de alcanzar un umbral determinado. Los científicos se refieren a este efecto como "suavización espectral".

Normalmente, los rayos cósmicos de mayor energía se vuelven menos comunes a medida que aumenta la energía. Sin embargo, las observaciones de DAMPE revelaron que la disminución se vuelve dramáticamente más pronunciada más allá de una rigidez de aproximadamente 15 TV (teraelectronvoltios). La rigidez describe cuán fuertemente el camino de una partícula se resiste a ser doblado por campos magnéticos.

Dado que esta misma característica aparece en muchos tipos diferentes de partículas, los hallazgos respaldan fuertemente teorías que sugieren que la aceleración y el movimiento de los rayos cósmicos a través del espacio están controlados por la rigidez. Al mismo tiempo, los datos en gran medida descartan explicaciones alternativas basadas en la energía por nucleón (energía dividida por el número de nucleones en la partícula). Según los investigadores, el nivel de confianza contra esos modelos alternativos alcanza el 99.999%.

La inteligencia artificial y los detectores avanzados impulsaron el descubrimiento

Los investigadores de Ginebra desempeñaron un papel importante en este avance. El equipo desarrolló métodos sofisticados de inteligencia artificial para reconstruir eventos de partículas detectados por el telescopio. También contribuyeron a mediciones importantes relacionadas con los flujos de protones y helio y ayudaron a analizar datos de núcleos de carbono.

Además, el grupo de Ginebra lideró el desarrollo de uno de los instrumentos clave de DAMPE, el Silicon-Tungsten Tracker (STK). Este detector es esencial para rastrear con precisión los caminos de las partículas y determinar la carga eléctrica de los rayos cósmicos entrantes.

Los hallazgos marcan un avance importante en la comprensión de cómo se crean los rayos cósmicos y cómo viajan a través de la galaxia. Los científicos afirmaron que los nuevos resultados establecen límites más estrictos en los modelos existentes de aceleración de partículas en fuentes astrofísicas y mejoran nuestra comprensión de cómo se mueven las partículas de alta energía a través del espacio interestelar.