II. �QU� SON EN REALIDAD LOS RAYOS C�SMICOS?

A FINALES de la d�cada de los veinte, m�s de diez a�os despu�s del descubrimiento de los rayos c�smicos, al igual que hoy en d�a, el t�rmino "radiaci�n" se refer�a a una variedad de fen�menos f�sicos cuya principal caracter�stica es el transporte de energ�a, ya sea a trav�s del flujo de part�culas at�micas o subat�micas (radiaci�n corpuscular), o de ondas tales como aquellas que caracterizan a la luz, el calor y los rayos X (radiaci�n electromagn�tica).

Puesto que de estas radiaciones la m�s penetrante era la radiaci�n gamma (rayos g)⁷ proveniente de materiales radiactivos, era natural interpretar que la radiaci�n c�smica se deb�a a rayos g de muy alta energ�a. El mismo Millikan supuso que los rayos c�smicos eran rayos g de alt�sima energ�a (los denomin� ultra rayos-g). El otro candidato, la radiaci�n b⁸ proveniente de materiales radiactivos, la radiaci�n corpuscular m�s penetrante conocida en aquel entonces era, sin embargo, absorbida en menos de 0.001 m de plomo.

En ese entonces hab�an probado que la radiaci�n c�smica, aparentemente, no ven�a del Sol ni de las estrellas ya que la ionizaci�n que produc�a no se ve�a influida por cambios en la posici�n del Sol o de las masas estelares que compon�an la galaxia. Aun as�, la cantidad de energ�a total tra�da a la Tierra por los rayos c�smicos era enorme: comparable con aquella proveniente de la luz de las estrellas.

Es as� que hasta mediados de los treinta las investigaciones sobre los rayos c�smicos se enfocaron, principalmente, a determinar su espectro de energ�a y encontrar su lugar de origen.

Millikan y colaboradores, a finales de los veinte hab�an quedado convencidos de que los rayos c�smicos no pod�an ser radiaci�n corpuscular dado que aparentemente no exist�a una variaci�n en su intensidad con la latitud, debido a la influencia del campo magn�tico de la Tierra sobre las part�culas. Si la radiaci�n c�smica estaba constituida por part�culas cargadas el�ctricamente, entonces ser�an canalizadas de alguna manera hacia los polos a lo largo de las l�neas de campo. Por otro lado, si los rayos c�smicos eran radiaci�n electromagn�tica, �sta no se ver�a afectada por el campo magn�tico terrestre. En caso de que la radiaci�n fuese corpuscular, a altas latitudes (regiones polares) su intensidad ser�a mayor que en las regiones ecuatoriales.

En 1927, el f�sico holand�s J. Clay, en un viaje entre Holanda (latitud 52� N) y Java (latitud 6� S), hab�a encontrado un decrecimiento en la intensidad de los rayos c�smicos del orden del 11%. Sin embargo, en 1928 Millikan y asociados no hab�an encontrado cambio apreciable en la intensidad entre Los Angeles (latitud 34� N) y Per� (latitud 12� S). En 1930, Millikan tampoco pudo encontrar evidencia alguna de dicho efecto entre Pasadena (latitud 34� N) y Churchill, Canad� (latitud 54� N).

Era obvio que la existencia de un efecto latitudinal en la intensidad de los rayos c�smicos era muy dudosa. Si �sta exist�a deb�a ser muy peque�a y no pod�a ser atribuida con certeza al campo magn�tico terrestre. Se argumentaba, y con raz�n, que las diferentes condiciones atmosf�ricas en los diferentes lugares geogr�ficos en los que se hab�an realizado mediciones pod�an producir cambios significativos en la intensidad de los rayos c�smicos al nivel del mar. Para Millilkan y su grupo la ausencia de un efecto latitudinal apreciable en la intensidad de los rayos c�smicos era prueba de que �stos no eran part�culas cargadas el�ctricamente.

Los candidatos m�s viables eran, por lo tanto, fotones de muy alta energ�a, superior a cualquiera de los rayos g mas energ�ticos conocidos en aquel entonces: los provenientes de materiales radiactivos. La principal raz�n para esta suposici�n eran los conocimientos te�ricos que se ten�an sobre la manera en que la radiaci�n gamma era absorbida en la atm�sfera: a trav�s de efectos Compton⁹ (v�ase el cap�tulo III). Para probar esta hip�tesis, el procedimiento seguido consisti� en asignar a los rayos g (fotones) una distribuci�n de frecuencia (energ�a)¹⁰ inicial arbitraria y observar sus consecuencias, es decir, la variaci�n de la ionizaci�n producida como funci�n de la profundidad atmosf�rica, en lagos, o bajo alg�n otro material absorbente. Mediante el m�todo de "prueba y error" se determin� el espectro de energ�a (la intensidad del n�mero de fotones en una regi�n de frecuencias) que mejor ajustaba a las observaciones. Éste, sin embargo, result� ser la suma de tres grupos de fotones con energ�as de 26, 110 y 220 MeV.¹¹ Millikan y Cameron interpretaron esos resultados como evidencia de que la radiaci�n c�smica era una mezcla de fotones con esas energ�as.

El origen de estos diferentes grupos de fotones fue atribuido por esos cient�ficos a procesos de transmutaci�n energ�tica en el cosmos. De acuerdo con esa hip�tesis, el cosmos est� lleno de hidr�geno muy diluido, a partir del cual los �tomos de elementos m�s pesados pueden evolucionar continuamente mediante un proceso espont�neo de fusi�n¹² . De vez en cuando, por ejemplo, cuatro �tomos de hidr�geno pueden juntarse y fusionarse para formar un �tomo de helio. Estos procesos de fusi�n se llevan a cabo en los interiores estelares.

Ahora bien, puesto que un �tomo de helio pesa ligeramente menos que cuatro �tomos de hidr�geno, esta diferencia de masa, de acuerdo con el principio de equivalencia de masa y energ�a de Einstein (E = mc²), es liberada como energ�a. Resulta que en este caso, la cantidad de energ�a liberada es de 26.7 MeV, aproximadamente la misma que la del primero de los tres grupos de fotones de que supuestamente estaba constituida la radiaci�n c�smica.

Alentado por este resultado, Millikan explor� la posibilidad de encontrar una explicaci�n similar para el origen de los otros dos grupos. Por suerte, entre los elementos m�s abundantes en el Universo se encuentran el nitr�geno y el ox�geno. Un �tomo del primero pesa aproximadamente 1.8 x 10^-28 kg, menos que catorce �tomos de hidr�geno, mientras que el �tomo de ox�geno es 2.2 x 10^-28 kg m�s liviano que diecis�is �tomos de hidr�geno. Cuando estos defectos de masa son convertidos en energ�a, tenemos que, al fusionar catorce �tomos de hidr�geno para formar uno de nitr�geno, se liberan 99.2 MeV de energ�a, mientras que para crear un �tomo de ox�geno a partir de diecis�is de hidr�geno, se liberan 121.4 MeV.

La proximidad entre estos valores y aquellos determinados para la energ�a de los fotones del segundo grupo era sorprendente, de ah� que Millikan concluyera que esos fotones resultaban tambi�n de la s�ntesis de elementos m�s pesados, principalmente, el nitr�geno y el ox�geno. Pero eso no era todo, otro de los elementos abundantes en el Universo es el silicio, para el cual se requieren veintiocho �tomos de hidr�geno. Haciendo los mismos c�lculos se encuentra que el proceso de fusi�n de veintiocho �tomos de hidr�geno libera 225.6 MeV de energ�a, valor casi igual a la energ�a calculada para los fotones del tercer grupo. Todas estas coincidencias, meramente accidentales, convencieron a muchos de que los rayos c�smicos eran el "grito primigenio" de los �tomos que est�n siendo continuamente creados en el espacio. El mismo Millikan, en 1928, expres� ese punto de vista con las siguientes palabras: "Los rayos c�smicos que observamos son las se�ales transmitidas a trav�s de los cielos, del nacimiento de los elementos comunes a partir de electrones positivos y negativos."

Mientras tanto, ciertos experimentos parec�an indicar que la ionizaci�n producida por los rayos c�smicos pod�a ser atribuida a part�culas cargadas el�ctricamente. En 1927, el f�sico ruso D. Skobeltzyn, al estudiar las fotograf�as de las trayectorias de electrones secundarios producidos por un haz de rayos g en una c�mara de niebla colocada en un campo magn�tico, hab�a observado que exist�an una o dos trayectorias de part�culas b, con energ�as un orden de magnitud superior a las emitidas por las sustancias radiactivas conocidas, que no estaban conectadas al haz de rayos g. M�s a�n, observaciones posteriores mostraron que trayectorias similares ocurr�an tan frecuentemente que pod�an explicar la totalidad de la ionizaci�n de los rayos c�smicos.

Bothe y Kolh�rster ya hab�an observado que dos contadores Geiger-Mueller, uno arriba del otro, separados por una corta distancia y conectado cada uno a un electroscopio, a menudo se descargaban simult�neamente. Estas descargas, o coincidencias, no pod�an ser accidentales, dado que eran menos frecuentes cuando la distancia entre los contadores se incrementaba.

Un fot�n pod�a, en principio, producir una coincidencia por un doble efecto Compton [Figura 4 (a)]. Sin embargo, dado que la probabilidad de una colisi�n Compton en la pared o en el gas del contador era muy peque�a, la probabilidad de dos colisiones de este tipo era, por lo tanto, despreciable. Bothe y Kolh�rster concluyeron, acertadamente, que las coincidencias observadas deb�an ser debidas al paso a trav�s de los contadores de part�culas individuales cargadas el�ctricamente. [Figura 4 (b)]. M�s a�n, dichas part�culas no pod�an ser part�culas a¹³ ya que las paredes de los contadores (0.001 m de espesor de cinc) detendr�an todas esas part�culas.

En realidad, esto no contradec�a el punto de vista seg�n el cual la radiaci�n primaria que llegaba a nuestra atm�sfera del espacio exterior fuesen fotones de muy alta energ�a. Puesto que los fotones sufren colisiones Compton en la atm�sfera, las part�culas ionizantes observadas pod�an ser electrones de rechazo que resultaban de dichas colisiones. Dado que se cre�a que esos electrones ten�an energ�as que iban desde 20 hasta vanos cientos de MeV, se supon�a que f�cilmente pod�an atravesar las paredes de los contadores.

Figura 4. Coincidencias producidas por fotones y part�culas cargadas. En el primer caso. (a) un fot�n puede producir un electr�n Comptom en el contador de arriba y otro en el de abajo que descarguen simult�neamente ambos contadores. En el segundo caso (b) toda part�cula cargada que atraviese ambos contadores producir� una coincidencia.

Bothe y Kolh�rster realizaron entonces su famoso experimento bas�ndose en la idea de que las part�culas b observadas por Skobeltzyn estaban relacionadas con la radiaci�n c�smica. M�s a�n, cre�an que esas part�culas cargadas eran la causa inmediata de la ionizaci�n observada. El problema era, por lo tanto, saber si esas part�culas eran de origen secundario o si eran en realidad la misma radiaci�n primaria que llegaba a nuestra atm�sfera desde el espacio exterior.

Para dilucidar este problema instalaron dos contadores Geiger-Mueller, uno arriba del otro, dentro de una caseta rodeada por todos lados de 0.05 m de hierro y 0.06m de plomo (Figura 5).

Figura 5. Arreglo utilizado por Bothe y Kolh�rster para dilucidar la naturaleza corpuscular de la radiaci�n c�smica. Una descripci�n detallada del experimento se da en el texto.

La distancia entre los contadores era de 0.045 m para as� poder intercambiar material absorbente que tuviera ese mismo espesor entre los contadores. Las primeras mediciones con ese instrumento las realizaron en el s�tano del Reichsanstalt ¹⁴ Esto incrementaba la capa total de material absorbente, debido a los techos de concreto del edificio, en el equivalente a 2 m de agua. Bajo estas condiciones, el n�mero de descargas simult�neas de los dos contadores exced�a por mucho el n�mero de descargas que se esperar�an accidentalmente. Para su sorpresa, el n�mero de coincidencias no variaba mucho si se colocaba entre los contadores hasta 0.04 m de plomo.

Para incrementar el material absorbente sin tener que cambiar todo el arreglo intercalaron, en lugar del plomo, un bloque de 0.041 m de oro con un �rea de 0.089 x 0.175 m (12.3kg). Aunque esto incrementaba el material absorbente en casi el equivalente a 0.07 m de plomo, no pudieron medir decrecimiento alguno en el n�mero de coincidencias. con objeto de medir exclusivamente el efecto de la plancha de oro colocaron el arreglo bajo una ventana abierta en el techo del edificio y removieron el blindaje de la parte superior de la caseta. S�lo despu�s de haber hecho esto obtuvieron una reducci�n en el n�mero de coincidencias del orden de 24% debido exclusivamente a la capa de oro. Esto quer�a decir que el 76% de la radiaci�n c�smica cerca del nivel del mar pod�a penetrar 0.041 m de plomo.

Este resultado era sorprendente ya que de acuerdo con las estimaciones m�s generosas, s�lo una peque�a fracci�n de los electrones producidos por efectos Compton en un punto dado de la atm�sfera tendr�a un alcance ¹⁵ tan grande.

Con esta medici�n y aquellas obtenidas en el s�tano del Reichsanstalt, para las cuales el total de material absorbente ¹⁶ era equivalente a 4 300 kg/m², tuvieron tres puntos para trazar una curva de absorci�n [v�ase, por ejemplo, la figura 3 (a)].

La principal conclusi�n a que llegaron Bothe y Kolh�rster fue el haber "detectado una radiaci�n corpuscular por la cual pod�an ser explicados los hasta entonces conocidos efectos de la H�henstrahlung.¹⁷ Es poco probable que exista una radiaci�n gamma de poder de penetraci�n comparable y no existe hasta ahora raz�n alguna para dicha suposici�n".

Este experimento demostr� que el poder de penetraci�n de las part�culas ionizantes era comparable con aquel deducido de la variaci�n con la profundidad atmosf�rica de toda la radiaci�n c�smica. Bothe y Kolh�rster hicieron notar tambi�n que las part�culas de menor energ�a, entre aquellas que observaron, serían excluidas de las zonas ecuatoriales, como hab�an mostrado los experimentos realizados por Clay.

La prueba final de que los rayos c�smicos eran part�culas cargadas provino del experimento iniciado en 1930 por A. H. Compton, quien, en un programa de investigaci�n de heroicas proporciones, que incluy� a f�sicos de 80 instituciones, llev� a cabo una serie de mediciones de la intensidad de los rayos c�smicos en 69 estaciones alrededor del mundo, usando instrumentos similares calibrados en el lugar por medio de la ionizaci�n producida por una c�psula patr�n de radio. Estas observaciones confirmaron la existencia de un efecto latitudinal en la intensidad de la radiaci�n c�smica, como lo hab�a reportado en 1927 J. Clay, quien, por cierto, para ese entonces, hab�a empezado a dudar de sus resultados.

Compton hizo notar tambi�n que sus resultados estaban mejor correlacionados con la latitud geomagn�tica que con la geogr�fica, resultado que ser�a confirmado m�s tarde, especialmente por las extensas observaciones realizadas al nivel del mar por Millikan y Neher. Estos �ltimos, as� como Clay, independientemente, descubrieron en 1934 que aun la m�s ligera variaci�n en la intensidad del campo geomagn�tico a lo largo del ecuador se reflejaba en la intensidad de los rayos c�smicos.

Una vez que la naturaleza corpuscular de los rayos c�smicos qued� establecida, la investigaci�n sobre la radiaci�n c�smica lleg� a su mayor�a de edad. El inter�s en este campo floreci� de manera impresionante. Mientras que el n�mero de trabajos cient�ficos sobre este tema, tanto te�ricos como experimentales, fue alrededor de 10 entre 1912 y 1936, �ste lleg� a m�s de 200 por a�o entre 1933 y 1936, increment�ndose a�n m�s a partir de ese momento.

Desde entonces, la investigaci�n sobre la radiaci�n c�smica se desarroll� a lo largo de dos l�neas. Una, que ten�a que ver con los mismos rayos c�smicos: �qu� son?, �de d�nde vienen?, �c�mo llegan aqu�?, etc., y la otra, que utilizaba a estas part�culas subat�micas provenientes del espacio exterior para estudiar sus interacciones con la materia.

Esta �ltima categor�a fue objeto de gran inter�s en un principio, ya que los rayos c�smicos sirvieron para probar la validez de las leyes de la electrodin�mica cu�ntica ¹⁸ en regiones de energ�as extremas (relativistas), en las cuales se hab�an predicho te�ricamente ciertas rupturas. Los rayos c�smicos sirvieron entonces como el medio para descubrir e investigar las propiedades de nuevas "part�culas elementales". Por �ltimo, fueron la principal fuente de part�culas energ�ticas para el estudio de interacciones nucleares de alta energ�a. El prop�sito b�sico era poder entender, a trav�s de ellas, los procesos f�sicos relacionados con las fuerzas nucleares.

En todos los a�os transcurridos desde el descubrimiento de los rayos c�smicos y su identificaci�n como radiaci�n corpuscular, etapa llamada por algunos "la era heroica de la exploraci�n de los rayos c�smicos", hubo muchas suposiciones incorrectas sobre la naturaleza de los mismos, as� como otras correctas. Algunas de estas �ltimas fueron por razones equivocadas. Un buen ejemplo de una respuesta correcta por razones equivocadas lo constituye el experimento de Bothe y Kolh�rster en 1929, donde encontraron part�culas cargadas que pod�an atravesar 0.041 m de oro. Concluyeron que la radiaci�n primaria deb�a consistir en part�culas cargadas, ya que los fotones ser�an completamente absorbidos por tanto oro. Como veremos m�s adelante, hoy sabemos que las part�culas cargadas que detectaron no eran rayos c�smicos primarios, sino mesones m, los cuales son de origen secundario.

La verdadera naturaleza de la radiaci�n incidente en la Tierra no fue realmente determinada sino hasta finales de los cuarenta. Durante los treinta ya hab�a ciertas indicaciones de que uno de los constituyentes principales de la radiaci�n c�smica primaria eran los protones, pero no fue sino hasta que se llevaron a cabo ciertos experimentos con emulsiones fotogr�ficas, a grandes alturas (en globos), cuando se pudo determinar que la radiaci�n primaria consist�a de protones, part�culas a y n�cleos m�s pesados.