I. ANTECEDENTES HIST�RICOS, DESCUBRIMIENTO Y PRIMERAS INVESTIGACIONES

AUNQUE el descubrimiento de los rayos c�smicos est� fechado en 1912, a partir de los estudios iniciados en 1900 sobre la llamada corriente oscura de la electricidad, es decir, una corriente el�ctrica que hab�a sido observada en el aire desde 1785, las primeras experiencias sobre la presencia de esta extra�a radiaci�n las podr�amos remontar hasta principios del siglo VI antes de nuestra era, cuando Tales de Mileto, uno de los Siete Sabios de la antigua H�lade, realiz� observaciones acerca de la atracci�n que ejerc�a el �mbar sobre cuerpos ligeros despu�s de haber sido frotado. De acuerdo con Arist�teles, Tales atribuy� este fen�meno a un alma en el �mbar que era la que atra�a a dichos cuerpos. Si esta historia es correcta, entonces Tales lleg� a percatarse de una de las propiedades de la electricidad, la atracci�n de cuerpos con carga el�ctrica opuesta, y puede ser llamado entonces con raz�n el descubridor de la electricidad.

Sin embargo, aunque Tales trat� siempre de explicar los fen�menos que observaba en la naturaleza en t�rminos concretos verificables, y no mediante mitos, como lo hab�an hecho sus predecesores, no sabemos si en alguna ocasi�n Tales se pregunt� por qu� el �mbar perd�a el alma despu�s de un tiempo y dejaba de atraer aquellos cuerpos. La respuesta a este interrogante vino a darse casi veinticinco siglos despu�s.

A principios del siglo XVIII S. Gray en Inglaterra y C. F. DuFay en Francia, realizaron los primeros estudios sobre la electrificaci�n directa e inducida en varias sustancias, por las dos clases de electricidad que en aquel entonces se cre�a que exist�an: la v�trea y la resinosa, denominadas as� por la manera en que eran producidas por fricci�n y llamadas ahora positiva y negativa, respectivamente. Estudiaron tambi�n la capacidad de esas sustancias, entre ellas el aire, de conducir el "efluvio" de electricidad. En particular, DuFay fue el primero en notar que el aire era capaz de conducir electricidad cerca de un s�lido caliente. El que el aire pudiese conducir electricidad significaba que en �l exist�an part�culas el�ctricas libres que eran capaces de desplazarse de un punto a otro y, por tanto, se comportaba como un metal.

A pesar de esos resultados experimentales, no fue sino hasta 1785 que Coulomb se pregunt� nuevamente por qu� el �mbar perd�a su extra�o poder. Una de las dos leyes que estableci� en esa �poca fue que la corriente el�ctrica en el aire era proporcional a la intensidad del campo el�ctrico usado (i = const. E), ley que precedi� a la ley de Ohm. En 1850, Matteucci encontr� una extra�a caracter�stica de esa corriente al notar que si E era lo suficientemente grande, entonces la corriente no pod�a aumentar m�s all� de una cierta magnitud, es decir, se alcanzaba una corriente que se llam� de saturaci�n i_s. Esta corriente de saturaci�n provey� una medida del agente ionizante¹ despu�s de 1896, cuando J. J. Thomson y E. Rutherford encontraron que iones gaseosos² eran los responsables de la conducci�n el�ctrica en el gas. Por otro lado, en 1887, W. Linss observ� que un cuerpo cargado al ser expuesto al aire perd�a la electricidad. Esto llev� a algunos, como al f�sico austriaco F. Exner, a planear una red internacional de observatorios de electricidad atmosf�rica usando electroscopios port�tiles. La p�rdida del alma del �mbar de Tales de Mileto quedaba as� explicada.

Figura 1. Electroscopio de panes de oro. Las dos laminillas de oro cuelgan de la barra met�lica la cual se encuentra separada de la caja met�lica del electroscopio por medio de un material aislante. Las laminillas pueden observarse a trav�s del vidrio. Generalmente la caja met�lica se encuentra unida el�ctricamente a tierra.

La versi�n m�s simple de un electroscopio consist�a fundamentalmente en dos hojas delgadas de oro que colgaban de una barra met�lica en el interior de un recipiente de vidrio (Figura 1). Si se toca con una pieza de vidrio cargada la barra met�lica del electroscopio, las l�minas de oro se separan. Esto se debe a que las part�culas el�ctricamente positivas pasan del vidrio a la barra met�lica hasta alcanzar las laminillas de oro, y en virtud de que �stas adquieren la misma carga y son muy ligeras, la carga, aunque peque�a, es suficiente para originar una divergencia visible. Despu�s de separar la pieza de vidrio, el electroscopio pierde gradualmente la carga y las laminillas terminan por unirse de nuevo.

En un electroscopio ordinario la carga escapa principalmente a trav�s del aislante que separa la barra met�lica del contenedor. Aunque este escape se puede reducir casi a cero, electroscopio, sin embargo, no permanecer� cargado indefinidamente. El uso de cualquier otro gas (en lugar de aire) en el interior de un electroscopio herm�ticamente cerrado tampoco har� variar el resultado final: �ste tarde o temprano perder� la carga.

De 1898 a 1900 un cuidadoso estudio del fen�meno fue hecho por J. Elster y H. Geitel en Alemania, y por C. T. R. Wilson en Inglaterra. El m�todo usado fue montar un electroscopio cargado sobre un soporte aislante, dentro de un recipiente cerrado, y observar la rapidez a la cual el electroscopio perd�a la carga el�ctrica. Wilson tom� adem�s la precauci�n de conectar el otro extremo del soporte aislante a una fuente de potencial ³ igual al potencial inicial del electroscopio, de manera que la p�rdida a lo largo del soporte tendiese a mantener la carga; as�, la p�rdida de carga observada se deber�a �nicamente a su neutralizaci�n por iones recolectados del aire. La conductividad del aire, en el interior del electroscopio, se encontr� que era permanente a pesar de la continua extracci�n de iones de su interior por el campo el�ctrico externo. A partir de esos resultados Wilson pens� en una radiaci�n extra�a que continuamente regeneraba los iones en el aire del interior del electroscopio.

En esa �poca estaban en boga los estudios sobre los rayos X, descubiertos por W. C. Roentgen en 1895, y la radiactividad, observada por primera vez, un a�o despu�s, por H. Becquerel. Se encontr� que ambas radiaciones descargaban los electroscopios, de ah� que la supuesta "radiaci�n extra�a" de Wilson fuese atribuida de inmediato a la presencia de materiales radiactivos en la vecindad del electroscopio o en el material de las paredes con que hab�a sido construido. Para probar esa hip�tesis se construyeron electroscopios de diferentes materiales, observ�ndose que, en efecto, la ionizaci�n variaba con el tipo de material empleado en su construcci�n, y que �sta se pod�a reducir a�n m�s si el instrumento era escudado con gruesas capas de plomo o con agua.

A finales del siglo XIX, era com�n entre los f�sicos detectar ciertas radiaciones por sus propiedades de ionizar gases, aunque la manera en que �stas lo hac�an no fue bien entendida sino hasta finales de la d�cada de los veinte del presente siglo. El fen�meno consiste en desprender o separar completamente a un electr�n del �tomo, para lo cual se requiere energ�a.

Esperando que el grado de ionizaci�n disminuyese al aumentar la altura sobre la superficie terrestre, principal fuente de materiales radiactivos, se experiment� llevando algunos instrumentos a diferentes altitudes. Si la radiaci�n responsable de la descarga de los electroscopios proven�a del suelo, �sta deber�a ser m�s fuerte cerca de la superficie y progresivamente m�s d�bil a medida que se incrementara en altitud. Sin embargo, los experimentos siguieron mostrando una conductividad residual significativa. T. Wulf en 1910, y A. Gockel en 1910 y 1911, empleando instrumentos similares, el primero a una altura de 300 metros sobre la superficie (en la parte m�s alta de la torre Eiffel) y el segundo a alturas de hasta 4 500 metros (alcanzada esta �ltima en uno de los tres ascensos en globo que realiz� en Suiza), encontraron que la ionizaci�n en efecto decrec�a con la altura, pero s�lo ligeramente, mucho menos de lo que se esperaba.

�sta era la situaci�n en 1911 cuando V. F. Hess, f�sico austriaco interesado en la electricidad atmosf�rica y por suerte un entusiasta aeronauta, despu�s de leer los resultados del experimento de Wulf en la torre Eiffel decide corroborarlos. �l cre�a, ya desde ese entonces, en la existencia de una extra�a radiaci�n desconocida hasta ese momento, la cual —seg�n �l— era evidente que estaba presente en todos esos experimentos.

Es as� que, entre 1911 y 1913, Hess emprende una serie de diez ascensos en globo, llevando consigo varios electroscopios del tipo que Wulf us� para tomar lecturas simult�neas y estar seguro de que la informaci�n registrada fuese lo m�s exacta posible. Los electroscopios fueron construidos de manera que estuviesen herm�ticamente cerrados, as� se aseguraba que la presi�n interna del gas permaneciese constante a cualquier altura, es decir, la sensibilidad de los instrumentos era independiente de la altura. A los 500 metros observ� que la ionizaci�n era, en promedio, aproximadamente dos veces menor que en la superficie, a los 1 500 era igual, y a partir de los 1 800 el aumento en �sta era evidente. A los 3 500 metros, el incremento era del orden de cuatro veces y a los 5 000 llegaba a 16 veces. Los resultados no mostraron diferencia alguna entre el d�a y la noche.

De acuerdo con Hess, era imposible una explicaci�n del aumento de la ionizaci�n con el incremento de la altura que se basara en la acci�n de sustancias radiactivas. Las emanaciones de rad�n y otras sustancias radiactivas en la atm�sfera, "no pod�an producir ni siquiera un veinteavo del menor efecto observado a una altura de uno o dos kil�metros". De ah� que para interpretar sus resultados tuviese que recurrir a una novedosa hip�tesis, en la que propon�a la existencia de una radiaci�n muy penetrante, hasta ese entonces desconocida, que llegaba a la atm�sfera desde afuera, es decir, del espacio exterior, y que no pod�a ser de origen solar dado que no se observaba diferencia alguna entre la ionizaci�n medida durante el d�a y la noche. Esta radiaci�n pronto llegar�a a ser conocida como radiaci�n c�smica. Veinticuatro a�os m�s tarde, Hess recibir�a por ese descubrimiento el Premio Nobel de F�sica; descubrimiento que desempe�ar�a un papel extraordinario en el desarrollo de la f�sica moderna y tendr�a considerables implicaciones en geof�sica, meteorolog�a, astrof�sica y otras �reas de la ciencia.

Poco despu�s W. Kolh�rster, en Alemania, extendi� las observaciones de Hess a alturas mucho mayores y confirm� que la ionizaci�n continuaba aumentando al menos hasta los 9 300 metros de altura. Las lecturas de sus aparatos indicaban que la ionizaci�n a esa altura era 50 veces mayor que en la superficie.

Aun cuando estas observaciones pudieron haberse considerado como una prueba irrefutable de la hip�tesis de Hess, muchos f�sicos no quedaron convencidos del origen extraterrestre de esa radiaci�n. Se arguy� que la fuente de �sta podr�a estar en la misma atm�sfera. Por ejemplo, C. T. R. Wilson, el inventor de la c�mara de niebla⁴ y uno de los expertos en el fen�meno de la ionizaci�n, sugiri� que esa radiaci�n pod�a ser producida por tormentas el�ctricas a grandes alturas en la atm�sfera, mientras que otros f�sicos sugirieron que la atm�sfera pod�a contener peque�as cantidades de elementos radiactivos en estado gaseoso, ya que se sab�a que exist�an elementos como el rad�n en ese estado. Si por alguna raz�n esos elementos tend�an a concentrarse en las capas altas de la atm�sfera, entonces �sa pod�a ser la causa del incremento de la ionizaci�n con la altura.

De acuerdo con estas dos sugerencias, la intensidad de la radiaci�n desconocida deb�a, por tanto, variar con las condiciones meteorol�gicas, la hora, el d�a y la estaci�n. Las tormentas el�ctricas obviamente no ocurr�an siempre y era inconcebible que la distribuci�n de esos hipot�ticos gases radiactivos en la atm�sfera permaneciese constante durante el d�a, el a�o y aun cuando cambiase el tiempo. Por otro lado, Hess ya hab�a demostrado la aparente ausencia de variaciones temporales en la intensidad de dicha radiaci�n, resultado que ser�a confirmado m�s tarde por otras investigaciones. A pesar de la limitada exactitud de los instrumentos de esa �poca, la radiaci�n era, en general, bastante uniforme. Llegaba durante el d�a y la noche, en verano e invierno, lloviese o no, y cambiaba muy poco de un d�a a otro, as� como de un lugar a otro a la misma latitud.

Sin embargo, no todo mundo qued� satisfecho, a�n exist�an algunas dudas entre los f�sicos y es as� que, de 1923 a 1926, R. A. Millikan y colaboradores emprendieron una serie de nuevos experimentos con objeto de determinar silos resultados de Hess y otros investigadores eran correctos. En sus experimentos midieron la intensidad de la radiaci�n tanto a grandes alturas (15.5 km) como por debajo del agua. Sin embargo, los experimentos en globo causaron una gran pol�mica entre los f�sicos alemanes y austriacos, dadas las discrepancias entre los resultados americanos y europeos. La ionizaci�n a grandes alturas sobre San Antonio, Texas, era �nicamente 25% de lo que se esperaba extrapolando la curva de Hess-Kolh�rster medida en Europa central. Para Millikan, las conclusiones de este experimento, y otros que realiz� durante 1924, eran obvias: "... la totalidad de esta radiaci�n penetrante es de origen local. C�mo llegan a la alta atm�sfera esas cantidades de material radiactivo es algo que todav�a no sabemos."

�sta fue una de las muchas conclusiones equivocadas a las que se lleg� durante esa d�cada en este nuevo campo de estudio. De hecho, el flujo de ideas sobre los rayos c�smicos era tal en aquellos d�as que suscit� diversas an�cdotas. Por ejemplo, el mismo Millikan, a�os m�s tarde, al aparecer como testigo experto en el campo, en el juicio de un hombre que hab�a sido acusado de estafador por haber vendido unas botellas que conten�an un liquido que, seg�n aseguraba �l, ten�a propiedades curativas por haber sido irradiado con rayos c�smicos, apunt� que en efecto el contenido de las botellas hab�a sido irradiado por rayos c�smicos. Y en cuanto a las alegadas propiedades medicinales del mismo, dijo: "�qui�n no ha hecho afirmaciones incorrectas sobre los rayos c�smicos?"

Sin embargo, sus experimentos en los lagos Muir y Arrowhead (California), a 3 590 y 2 060 metros sobre el nivel del mar respectivamente, convencieron al fin a Millikan, en el a�o 1926, del origen extraterrestre de esos et�reos rayos; fue �l quien los bautiz� con el nombre de "rayos c�smicos", el hombre que, seg�n Rossi, hab�a sido el m�s esc�ptico entre los esc�pticos.

Los 1 530 metros de aire sobre el lago Arrowhead con respecto al lago Muir, debidos a la diferencia de su altura sobre el nivel del mar, corresponden a un material absorbente que equivale a dos metros de agua para part�culas que viajan verticalmente. De ah� que sumergiendo detectores a diferentes profundidades en los dos lagos (Figura 2), Millikan encontrara que "dentro de los l�mites de error observacional, cada lectura en el lago Arrowhead corresponde a una lectura en el lago Muir seis pies m�s abajo". De esta manera mostraba que los rayos ven�an de arriba y que su origen era externo a la capa de atm�sfera entre los niveles de los dos lagos.

Figura 2. El experimento de Millikan consisti� en colocar, como se muestra, electroscopios a los niveles E en ambos largos, estando el del lago Muir 2 metros m�s abajo que el del lago Arrowhead. Si no se creaban rayos c�smicos en el aire entre los dos lagos las intensidades medidas en ambos ser�an iguales. Sin embargo, si nuevos rayos (l�neas punteadas) eran creados en la capa de aire, entonces el electroscopio en el lago Arrowhead registrar�a m�s rayos que el del lago Muir.

Suponiendo que la intensidad inicial de los rayos c�smicos que entraba en la atm�sfera terrestre fuera la misma en los dos sitios, este resultado demostraba que la capa de aire entre los dos lagos actuaba �nicamente como absorbente y que en ella no se generaban rayos c�smicos. Por lo tanto, los rayos c�smicos ven�an de arriba y su origen era extratmosf�rico.

El trabajo de Millikan y su grupo hizo historia no s�lo por los resultados cient�ficos obtenidos sino tambi�n por lo novedoso e ingenioso de las t�cnicas empleadas. Millikan y Bowen desarrollaron una c�mara de ionizaci�n⁵ que pod�a registrar la intensidad de la ionizaci�n autom�ticamente en pel�cula fotogr�fica y cuyo peso era de tan solo 0.19 kg. Este instrumento fue usado por primera vez en la primavera de 1922, en un sistema de globos piloto (sin tripulaci�n); despu�s de alcanzar una altura de 15.5 km uno de los globos reventaba y el otro tra�a suavemente a tierra el instrumental cient�fico para su recuperaci�n y posterior estudio. El uso de estos globos no tripulados que llevaban instrumentos autom�ticos eliminaba los peligros y reduc�a el alto costo de vuelos como los realizados por Hess y Kolh�rster, vuelos que, aunque exitosos, siempre tuvieron cierto grado de incertidumbre. Esta t�cnica de registro autom�tico, utilizada en un principio en vuelos de globo a grandes alturas por Millikan y Cameron para determinar la variaci�n de la ionizaci�n con la altura, fue usada posteriormente por Regener en Alemania para extender, bajo el agua, las medidas de la intensidad de la ionizaci�n. En el lago Constanza, a una profundidad de 260 m, equivalente a una presi�n de 25 atm�sferas, Regener encontr� que la ionizaci�n era a�n apreciable, lo que hablaba de un poder de penetraci�n de la radiaci�n c�smica mucho mayor que el supuesto por Millikan y Cameron [Figuras 3 (a) y 3 (b)].

Figura 3. (a) Intensidad de los rayos c�smicos como funci�n de la profundidad atmosf�rica, medida usando electroscopios a bordo de globos. (b) Intensidad de los rayos c�smicos medida bajo el agua. Ambas mediciones fueron realizadas por Regener y su grupo. La profundidad atmosf�rica mostrada en el eje horizontal es, en el primer caso, la masa por unidad de �rea de la capa de aire sobre el electroscopio, mientras que en el segundo es la masa total por unidad de �rea de aire y agua sobre el electroscopio.

A partir de ese momento, el n�mero de investigadores en este nuevo campo de la f�sica se increment� r�pidamente, sin saber lo que los rayos c�smicos eran en realidad.

En mayo de 1931, en la ciudad de Londres, cient�ficos de reconocido prestigio como Geiger, Bothe,⁶ C. T. R. Wilson, Soddy, Rutherford, O. W. Richardson,* Lindemann, Eddington, Dobson, Chapman, Chadwick,* Blackett,* Jeans y Bragg,* entre otros muchos, participaron en lo que podr�amos llamar el Primer Congreso Internacional de Rayos C�smicos. En aquel entonces, el t�tulo de dicha reuni�n fue "Discusi�n sobre los rayos ultrapenetrantes".