Fem un parèntesi en la sèrie d’articles sobre binàries per parlar d’Antònia Font i els neutrins. Tots els qui els hem escoltat sabem que les lletres de Joan Miquel Oliver inclouen moltes referències a la Física i, en particular a l’Astrofísica i la Cosmologia. Un tema del seu darrer àlbum Venc amb tu, que és una joieta, resumeix perfectament el que dic. Això, però, ja ho va explicar Del buit al Tot en un fil de twitter que recomane llegir.
Dissabte passat vam gaudir un concert fantàstic del grup a València. Pau Debon va introduir el tema Neutrins de Vostè és aquí parlant-nos d’unes partícules petitíssimes que ens travessen de continu, que travessen les parets del teatre i els nostres cossos, i qualsevol paret. ‘Neutrins que tot ho travessen, a mils en micro-tempestes, petits, traspassen es cossos, atòmics, inclús no tan grossos.’ Efectivament, travessen fins i tot el nostre planeta!
La lletra de la cançó, breu, és un poema de quatre versos que concentra la fascinació que produeixen en l’autor. ‘Neutrins, pareix impossible, sou tot matèria intangible, neutrins, amics invisibles, sou indestructibles, tranquils.’
I d’on venen aquests amics invisibles, indestructibles, tranquils? Els neutrins van ser descoberts arran d’una predicció teòrica de Wolfgang Pauli l'any 1930, que els va anticipar com una solució a un problema de conservació de l’energia en certes reaccions nuclears. La seua detecció experimental en els anys cinquanta per l’equip liderat per C. Cowan i F. Reines va obrir una nova finestra a l’Univers.
Efectivament, del Cosmos ens n’arriben de manera contínua, amb quatre possibles orígens: generats en el procés de fusió nuclear al nucli del Sol, del fons de neutrins que es van produir poc després del Big Bang per col·lisions de raigs còsmics amb àtoms de l’atmosfera que donen neutrins i altres partícules com productes, o directament de fenòmens de l’Univers Violent: supernoves, galàxies actives...
Els primers, nombrosos per la proximitat del Sol, ens travessen després d’uns huit minuts de viatge des del nucli solar. En contrast, una estimació simplista permet estimar que un paquet d’energia o partícula de llum, un fotó per als amics, necessita entorn d’un milió d’anys per arribar des del nucli del Sol a la seua superfície (i huit minuts més fins a la Terra). Els neutrins, però, tot ho travessen, a mils en micro-tempestes, petits, traspassen es cossos....
En el cas del fons de neutrins (equivalent al fons de radiació de microones), es tracta del fòssil d’aquestes partícules alliberades quan la densitat de l’Univers va travessar el llindar que els impedia propagar-se. Tan dens era l’Univers tot just abans! La densitat d’un medi que puga atrapar els neutrins depèn de l’energia del neutrí, però, per fer-nos-en una idea, seria de l’ordre o superior la densitat d’un nucli atòmic (1017 kg/m3).
Dels raigs còsmics i el seu origen en vam parlar en aquest blog. Passem, per tant, a les supernoves i les galàxies actives. En el primer cas, durant el col·lapse d’una estrella massiva es produeixen reaccions nuclears en cadena. Com a conseqüència, se’n produeixen molts de neutrins. Quan la densitat de l’estrella col·lapsada es fa prou gran, queden atrapats i depositen tota l’energia que arrosseguen dins del mateix objecte. El paradigma actual d’explosions supernova inclou aquest procés com fonamental per a l’explosió: els neutrins, indestructibles, tranquils, en serien els protagonistes!
Pel que fa a les galàxies actives, els detectors de partícules actuals cerquen correlacions amb els dolls que tenen un angle petit amb la línia d’observació, els blàzars.1 Aquests dolls aporten emissió brillant a molt altes energies (raigs gamma) i són candidats a ser origen d’emissió de neutrins. De moment, n’hi ha dues galàxies actives amb aquestes propietats que han estat assenyalades com possibles emissores d’uns neutrins que van ser detectats fa uns anys per IceCube, el detector que n’hi ha a l’Antàrtida. Aquest observatori detecta neutrins provinents tant de l'Hemisferi Sud com del Nord! I és que, com que els neutrins tot ho travessen també és molt difícil detectar-los!
En Astrofísica n’hi ha una broma (exagerada?) sobre aquests números: per fer una tesi doctoral d’observacions en el visible cal acumular milions i milions de fotons d’aquesta banda de l’espectre; en raigs X en caldrien uns quants milers; ara bé, amb un grapat de neutrins se'n poden fer centenars.
Mentre Pau Debon ens cantava els versos assegut en un banquet, ens van travessar, només provinents del Sol, entre 1016 i 1017 neutrins al llarg dels 100 segons de la cançó. I és probable que cap ni un d'ells s'aturara ni un segon amb nosaltres. Indiferents, tranquils, van seguir el seu camí cap a altres indrets de l'Univers.
Què divertit, i bonic, lo que escriu Oliver quan està avorrit.
Mirem amunt una nit clara i els nostres detectors de radiació electromagnètica, també coneguts com a ulls, ens permeten veure les estrelles i la llum solar reflectida per la superfície dels planetes. La llum visible. Del cel, però, ens arriba radiació electromagnètica de diferents bandes de l'espectre que els nostres ulls no poden detectar. L'atmosfera n'absorbeix una gran part, però no tota ni en totes les bandes de l'espectre. Radiació i més radiació, la gran missatgera de les notícies del Cosmos, l'Hermes dels cels.
Tanmateix, n'hi ha d'altres missatgers que els nostres detectors biològics no poden veure. Tal com vàrem explicar en l'entrada anterior, el nostre planeta és bombardejat de manera contínua per partícules carregades (principalment protons), quasi tan veloces com la llum, que col·lideixen amb els àtoms de l'atmosfera i generen una pluja de partícules resultants d'aquests impactes. Els raigs còsmics.
D'on venen i quin missatge ens porten aquestes partícules alades va ser el motiu de preocupació principal de molts astrofísics al llarg del segle passat. I encara ho és. Un dels primers mecanismes que es va proposar per explicar-ne l'origen i les energies assolides per aquestes partícules va ser les ones de xoc. El científic italià Enrico Fermi va proposar un mecanisme mitjançant el qual les partícules podien guanyar energia en aquest escenari.
Per entendre'l, hem de pensar que en els processos de gran escala com els que ocorren en l'Univers, n'hi ha una doble realitat: per una banda, hi ha allò que ocorre a eixes escales grans, que es pot explicar amb la física dels fluids i els plasmes (fluids magnetitzats); per l'altra, el que passa amb les partícules que conformen el fluid. Com el riu i les molècules d'aigua. L'escala microscòpica depén en gran mesura de la macroscòpica; tanmateix, les escales són tan diferents (partícules, per una banda, i escales majors que la grandària de les estrelles) que l'estudi d'ambdós processos es fa habitualment per separat.
Les ones de xoc es produeixen quan un fluid es propaga més ràpidament que la velocitat del so del medi que travessa. L'energia que transporta aquesta ona s'inverteix en arrossegar i escalfar el medi xocat, que no se l'esperava, aquesta galtada. Les ones de xoc tenen eixa gràcia, que no avisen: com que es propaguen més ràpidament que el so, no hi ha remor ni avís previ. L'impacte n'és l'únic avís.
En aquesta situació tan poc envejable es troba, per exemple, el gas que hi ha entre les estrelles (medi interestel·lar) quan una d'aquestes esclata com supernova, però no només, com veurem en futures entrades. I sí, ja hem revelat un dels possibles orígens dels raigs còsmics.
Segons el model de Fermi, les partícules que han estat víctimes d'una ona de xoc col·lideixen entre elles i també són desviades per les línies del camp magnètic (recordem que el camp magnètic exerceix una força sobre les partícules carregades). Les col·lisions i interaccions amb el camp magnètic poden fer que una partícula creue l'ona de xoc avant i arrere moltes vegades. La clau de la història està en el fet que cada vegada que creu l'ona de xoc, la partícula guanya energia. Així, pot assolir-ne tanta que puga escapar del sistema i viatjar per la galàxia, o per l'espai intergalàctic, a una velocitat propera a la de la llum, gràcies a tota aquesta energia assolida.
A més, la distribució energètica de les partícules que s'espera mitjançant aquest procés coincideix amb una gran part –no tota– de la dels raigs còsmics observats. Vet ací un mecanisme que explica perquè l'Univers va ple de partícules boges, bales perdudes. Algunes acaben en la nostra atmosfera, produint reaccions en cadena i radiació d'alta energia.
Quan torneu a mirar amunt, en una nit clara, recordeu que els vostres detectors de radiació electromagnètica, també coneguts com a ulls, no són capaços de veure tot el que realment n'hi ha al cel. I recordeu que en aquell precís instant, subproductes de col·lisions de raigs còsmics amb l'atmosfera (i també altres partícules que provenen directament d'altres estrelles, o fins i tot altres galàxies) vos travessen el cos. És la remor de l'Univers violent.
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.
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.
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.
