¿Has detectado alguna vez un rayo cósmico?

Imaginaos que estáis en un simple laboratorio de física atómica. No hace falta que sea algo parecido al CERN, sino que tan solo es necesario un simple detector de la luz como puede ser un fotomultiplicador o un espectrómetro. Vamos a suponer que tenemos esto último y que vuestro objetivo es realizar medidas sobre el fondo de radiación del laboratorio para poder restarlo al espectro obtenido anteriormente de un elemento químico determinado, en nuestro caso la plata. Como es de esperar, se obtiene como resultado de la medida del fondo un ruido aleatorio que no es más que las pequeñas oscilaciones de luminosidad que tienen lugar en el laboratorio y que el espectrómetro va detectando de una forma muy sencilla: contando la cantidad de fotones que inciden sobre él. Sin embargo, en una de las medidas aparece algo sorprendente que no debería estar ahí. ¿Qué será?

En la gráfica inferior podéis ver a qué me refiero.

El fondo de radiación que teníamos era de algo más de 1200 cuentas por segundo. No os asustéis con esto de cuentas por segundo, no es más que una forma de calcular la intensidad que tiene una fuente a partir del número de fotones que detecta un sensor. Volviendo al tema, alrededor de los 552 nm se ve una línea casi 4 veces más intensa, que no tendría por qué estar ahí. ¿Qué es esto? Se que sois avispados y habéis leído el título de la entrada, así que ya sabréis la respuesta: se trata de un rayo cósmico. Pero esta respuesta no es más que el principio, y ahora es cuando nos surgen muchas más dudas. ¿Qué es un rayo cósmico? ¿Por qué está ahí? ¿De donde ha salido? Estas y otras muchas cuestiones más son las que nos planteamos en su momento en el laboratorio, y las que ahora trataré de responderos y explicaros.

Un rayo cósmico no es más que un haz de partículas subatómicas (muones, fotones, neutrones, protones, etc) que vienen desde fuera de nuestro planeta y viaja a velocidades cercanas a las de la luz. Pueden provenir del confín más lejano del universo o del Sol, pero este último no es el culpable principal. Las mayores fuentes de rayos cósmicos son los objetos más energéticos del universo como las explosiones de supernova, que tienen lugar cuando una estrella colapsa sobre sí misma y explota; o los agujeros negros, ya que la materia que orbita a su alrededor está acelerada a grandes velocidades y en ocasiones pueden escapar formando chorros conocidos como jets.

Sea cual sea el origen de los rayos cósmicos, lo que se sabe es que estos llegan a la Tierra con mucha frecuencia, y nosotros en el laboratorio tuvimos la suerte de detectar uno. Os he dicho que los rayos cósmicos viajan a velocidades cercanas a la de la luz y por tanto son muy energéticos. Sin embargo, en la gráfica, el rayo cósmico está en unos tristes 552 nm, lo que vendría a ser algo similar a un rayo de luz verde. Un fotón verde no supone mucha energía si lo comparamos, por ejemplo, con un muón que es la partícula principal del rayo cósmico que llega a la superficie. La energía de este último es muchos órdenes de magnitud superiores al del fotón verde, así que hay algo que choca: o está mal la gráfica, o no medimos un rayo cósmico. La explicación a esta aparente discrepancia es de lo más simple que os podáis imaginar.

El detector calibra el eje de las longitudes de onda de forma automática a partir del punto central que le hayas marcado, en este caso 550 nm. La matriz CCD de píxeles que sirven para detectar los fotones que inciden funciona cargándose eléctricamente (similar a como funciona un condensador). Cada vez que un fotón choca contra un píxel, éste le dice al programa que en la longitud de onda que le corresponde el número de cuentas ha aumentado en una unidad. En el caso del rayo cósmico, sus partículas cargadas chocaron contra el píxel que determinaba una una longitud de onda cercana a los 552 nm y lo saturó repetidas veces debido a que son partículas que poseen carga eléctrica. Esto dio lugar al pico de intensidad tan grande que podemos ver en la gráfica.

Explicado de una forma más sencilla, por si no quedó del todo claro. El sensor está preparado para detectar fotones, que no tienen carga, de modo que si un muón que viaja como rayo cósmico y que tiene carga negativa impacta sobre el sensor, el número de cuentas que registra va a ser muy grande ya que el píxel se satura repetidas veces, sumando tantas cuentas como veces se sature.

Así pues, ahí tenéis la explicación y el motivo de que en el laboratorio, con un simple equipo para realizar una medida del espectro del átomo de plata hayamos detectado un rayo cósmico perdido. Un dato curioso que tiene que ver con la detección de estas partículas extraterrestres es que, según se cree, la gran mayoría de los cuelgues que tienen lugar en los equipos electrónicos como ordenadores, teléfonos móviles, etc, se producen debido a la interferencia causada por un rayo cósmico. Esto es algo lógico. Si puede saturar eléctricamente la medida de un píxel de nuestro sensor, un rayo cósmico no va a tener muchos problemas en cargar un condensador y/o provocar que en un sistema digital donde había un bit con valor 1 pase a haber uno con valor 0, o viceversa. Estos errores, aunque parezcan mínimos, pueden llegar a “marear” tanto al sistema electrónico que lo cuelga irremediablemente. Todos hemos sufrido alguna vez algo así y lo cierto es que es un gran inconveniente, pero hay que mirar el lado positivo: cuando te pase esto es que ¡¡has detectado un rayo cósmico!!

Saludos