L'estrany cas dels raigs còsmics

La ciència explicada com una història de detectius

15
desembre
2022
Títol del documental de Frank Capra sobre els raigs còsmics (1957)

Amb aquest títol (The Strange Case of the Cosmic Rays) presentava l'any 1957 el famós director Frank Capra un documental sobre els raigs còsmics, un misteri creixent a l'època i que encara no està completament resolt. El director d'It's a wonderful life (Que bonic que és viure) o Arsenic and old lace (Arsènic per compassió) va dirigir aquesta peça curiosa de poc menys d'una hora de durada per encàrrec dels Laboratoris Bell.

L'obra se'm va presentar en el curs d'Astrofísica d'Altes Energies, durant l'any Erasmus a Leeds (Regne Unit). Allà, el professor Watson ens en va projectar uns minuts per tal d'il·lustrar alguna idea, o per pura curiositat. Al documental, brillant com no podia ser d'altra manera, es presenta l'estudi de l'origen dels raigs còsmics com una història de detectius en un concurs en què el tribunal està format per Dostoievski, Dickens i Allan Poe. S'hi fa sentir el pas del temps en, per exemple, referències al Creador que un espectador actual pot trobar curioses en un documental científic. Tanmateix, paga certament la pena dedicar-li l'hora que cal per diversos motius. Ací, mitjançant l'enllaç anterior, deixe doncs la invitació. Ara, però, no vull explicar el documental, sinó centrar-me en els raigs còsmics i en els motius pels quals es va fer aquest documental.

Dickens, Allan Poe i Dostoievski en el documental de Frank Capra sobre els raigs còsmics.

A començament de segle XX es feien servir electròmetres per a mesurar els nivells de radiació. Aquests aparells consisteixen en un elèctrode i unes làmines metàl·liques que se separen en carregar-se aquest elèctrode –cada làmina adquireix la mateixa càrrega que l'altra i això en força la repulsió elèctrica. En ser sotmès a un camp de radiació ionitzant, partícules carregades, que bé constitueixen el component primari (original) de la radiació ionitzant o bé són generades de manera indirecta, descarreguen l'elèctrode, de manera que les làmines s'apropen novament.

Aquests aparells es van emprar (per Victor Hess i altres) per demostrar que l'efecte era més intens a major altura. Primer, comparant mesures entre la Torre Eiffel i terra, i després mitjançant globus aerostàtics. Les mesures, sistematitzades al llarg dels anys vint i trenta del segle passat, varen demostrar que la radiació ionitzant havia de ser originada fora del nostre planeta. Per això Robert Millikan els va batejar com 'raigs còsmics'.

Així doncs, hi havia evidència de radiació ionitzant, ço és, capaç de separar electrons dels seus àtoms, per a la qual cosa calia que les partícules incidents tingueren energies elevades. Una altra dada a afegir: la radiació incident depenia de la latitud. Com més lluny de l'equador terrestre, major nivell d'incidència. L'explicació? El camp magnètic terrestre enganxa les partícules carregades que n'impacten i les guia cap als pols –efectivament, la mateixa explicació que per les aurores. Conclusió: els raigs còsmics són partícules carregades d'alta energia que ionitzen els àtoms a l'atmosfera.

Imatge de la cambra de boira amb la trajectòria de la partícula identificada com positró –anti-partícula de l'electró. Imatge: Carl D. Anderson, Physical Review Vol.43, p491 (1933).

El següent pas per apropar-se als orígens d'aquestes partícules era saber si es tractava de càrregues positives i negatives repartides homogèniament, o si, pel contrari, dominava alguna de les poblacions. Atès que la interacció amb el camp magnètic depèn de la càrrega, B. Rossi va proposar un experiment per respondre aquesta pregunta, basat en la simetria o asimetria Est-Oest en la detecció dels raigs còsmics. L'asimetria trobada en indicava que es tracta majoritàriament de partícules amb càrrega positiva. A més, els experiments de detecció de raigs còsmics amb cambres de boira varen contribuir al descobriment de noves partícules, com el positró (la primera evidència de la presència d'anti-matèria en l'Univers), o el muó, predites per diferents treballs teòrics. Tanmateix, la major part de les partícules que ens arriben de l'espai són els protons.

Les energies amb què col·lisionen algunes d'aquestes partícules amb la nostra atmosfera poden arribar a ser enormes, obrint la porta a escenaris astrofísics ben poc amables. Dit altrament, ens obrin la porta a l'Univers Violent. En parlarem.

Manel Perucho és professor de la Facultat de Física de la Universitat de València i fa recerca sobre diferents escenaris astrofísics en què la relativitat juga un paper important. En particular, estudia l’evolució i impacte de dolls de plasma en galàxies actives o en estels binaris de raigs X i gamma.
Manel Perucho és professor de la Facultat de Física de la Universitat de València i fa recerca sobre diferents escenaris astrofísics en què la relativitat juga un paper important. En particular, estudia l’evolució i impacte de dolls de plasma en galàxies actives o en estels binaris de raigs X i gamma.