I. ANTECEDENTES HISTÓRICOS, DESCUBRIMIENTO Y PRIMERAS INVESTIGACIONES

AUNQUE el descubrimiento de los rayos cósmicos está fechado en 1912, a partir de los estudios iniciados en 1900 sobre la llamada corriente oscura de la electricidad, es decir, una corriente eléctrica que había sido observada en el aire desde 1785, las primeras experiencias sobre la presencia de esta extraña radiación las podríamos remontar hasta principios del siglo VI antes de nuestra era, cuando Tales de Mileto, uno de los Siete Sabios de la antigua Hélade, realizó observaciones acerca de la atracción que ejercía el ámbar sobre cuerpos ligeros después de haber sido frotado. De acuerdo con Aristóteles, Tales atribuyó este fenómeno a un alma en el ámbar que era la que atraía a dichos cuerpos. Si esta historia es correcta, entonces Tales llegó a percatarse de una de las propiedades de la electricidad, la atracción de cuerpos con carga eléctrica opuesta, y puede ser llamado entonces con razón el descubridor de la electricidad.

Sin embargo, aunque Tales trató siempre de explicar los fenómenos que observaba en la naturaleza en términos concretos verificables, y no mediante mitos, como lo habían hecho sus predecesores, no sabemos si en alguna ocasión Tales se preguntó por qué el ámbar perdía el alma después de un tiempo y dejaba de atraer aquellos cuerpos. La respuesta a este interrogante vino a darse casi veinticinco siglos después.

A principios del siglo XVIII S. Gray en Inglaterra y C. F. DuFay en Francia, realizaron los primeros estudios sobre la electrificación directa e inducida en varias sustancias, por las dos clases de electricidad que en aquel entonces se creía que existían: la vítrea y la resinosa, denominadas así por la manera en que eran producidas por fricción y llamadas ahora positiva y negativa, respectivamente. Estudiaron también 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 sólido caliente. El que el aire pudiese conducir electricidad significaba que en él existían partículas eléctricas 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 preguntó nuevamente por qué el ámbar perdía su extraño poder. Una de las dos leyes que estableció en esa época fue que la corriente eléctrica en el aire era proporcional a la intensidad del campo eléctrico usado (i = const. E), ley que precedió a la ley de Ohm. En 1850, Matteucci encontró una extraña característica de esa corriente al notar que si E era lo suficientemente grande, entonces la corriente no podía aumentar más allá de una cierta magnitud, es decir, se alcanzaba una corriente que se llamó de saturación i_s. Esta corriente de saturación proveyó una medida del agente ionizante¹ después de 1896, cuando J. J. Thomson y E. Rutherford encontraron que iones gaseosos² eran los responsables de la conducción eléctrica en el gas. Por otro lado, en 1887, W. Linss observó que un cuerpo cargado al ser expuesto al aire perdía la electricidad. Esto llevó a algunos, como al físico austriaco F. Exner, a planear una red internacional de observatorios de electricidad atmosférica usando electroscopios portátiles. La pérdida del alma del ámbar de Tales de Mileto quedaba así explicada.

Figura 1. Electroscopio de panes de oro. Las dos laminillas de oro cuelgan de la barra metálica la cual se encuentra separada de la caja metálica del electroscopio por medio de un material aislante. Las laminillas pueden observarse a través del vidrio. Generalmente la caja metálica se encuentra unida eléctricamente a tierra.

La versión más simple de un electroscopio consistía fundamentalmente en dos hojas delgadas de oro que colgaban de una barra metálica en el interior de un recipiente de vidrio (Figura 1). Si se toca con una pieza de vidrio cargada la barra metálica del electroscopio, las láminas de oro se separan. Esto se debe a que las partículas eléctricamente positivas pasan del vidrio a la barra metálica hasta alcanzar las laminillas de oro, y en virtud de que éstas adquieren la misma carga y son muy ligeras, la carga, aunque pequeña, es suficiente para originar una divergencia visible. Después 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 través del aislante que separa la barra metálica del contenedor. Aunque este escape se puede reducir casi a cero, electroscopio, sin embargo, no permanecerá cargado indefinidamente. El uso de cualquier otro gas (en lugar de aire) en el interior de un electroscopio herméticamente cerrado tampoco hará variar el resultado final: éste tarde o temprano perderá la carga.

De 1898 a 1900 un cuidadoso estudio del fenómeno fue hecho por J. Elster y H. Geitel en Alemania, y por C. T. R. Wilson en Inglaterra. El método usado fue montar un electroscopio cargado sobre un soporte aislante, dentro de un recipiente cerrado, y observar la rapidez a la cual el electroscopio perdía la carga eléctrica. Wilson tomó además la precaución de conectar el otro extremo del soporte aislante a una fuente de potencial ³ igual al potencial inicial del electroscopio, de manera que la pérdida a lo largo del soporte tendiese a mantener la carga; así, la pérdida de carga observada se debería únicamente a su neutralización por iones recolectados del aire. La conductividad del aire, en el interior del electroscopio, se encontró que era permanente a pesar de la continua extracción de iones de su interior por el campo eléctrico externo. A partir de esos resultados Wilson pensó en una radiación extraña que continuamente regeneraba los iones en el aire del interior del electroscopio.

En esa época estaban en boga los estudios sobre los rayos X, descubiertos por W. C. Roentgen en 1895, y la radiactividad, observada por primera vez, un año después, por H. Becquerel. Se encontró que ambas radiaciones descargaban los electroscopios, de ahí que la supuesta "radiación extraña" 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 había sido construido. Para probar esa hipótesis se construyeron electroscopios de diferentes materiales, observándose que, en efecto, la ionización variaba con el tipo de material empleado en su construcción, y que ésta se podía reducir aún más si el instrumento era escudado con gruesas capas de plomo o con agua.

A finales del siglo XIX, era común entre los físicos detectar ciertas radiaciones por sus propiedades de ionizar gases, aunque la manera en que éstas lo hacían no fue bien entendida sino hasta finales de la década de los veinte del presente siglo. El fenómeno consiste en desprender o separar completamente a un electrón del átomo, para lo cual se requiere energía.

Esperando que el grado de ionización disminuyese al aumentar la altura sobre la superficie terrestre, principal fuente de materiales radiactivos, se experimentó llevando algunos instrumentos a diferentes altitudes. Si la radiación responsable de la descarga de los electroscopios provenía del suelo, ésta debería ser más fuerte cerca de la superficie y progresivamente más débil 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 más alta de la torre Eiffel) y el segundo a alturas de hasta 4 500 metros (alcanzada esta última en uno de los tres ascensos en globo que realizó en Suiza), encontraron que la ionización en efecto decrecía con la altura, pero sólo ligeramente, mucho menos de lo que se esperaba.

Ésta era la situación en 1911 cuando V. F. Hess, físico austriaco interesado en la electricidad atmosférica y por suerte un entusiasta aeronauta, después de leer los resultados del experimento de Wulf en la torre Eiffel decide corroborarlos. Él creía, ya desde ese entonces, en la existencia de una extraña radiación desconocida hasta ese momento, la cual —según él— era evidente que estaba presente en todos esos experimentos.

Es así que, entre 1911 y 1913, Hess emprende una serie de diez ascensos en globo, llevando consigo varios electroscopios del tipo que Wulf usó para tomar lecturas simultáneas y estar seguro de que la información registrada fuese lo más exacta posible. Los electroscopios fueron construidos de manera que estuviesen herméticamente cerrados, así se aseguraba que la presión interna del gas permaneciese constante a cualquier altura, es decir, la sensibilidad de los instrumentos era independiente de la altura. A los 500 metros observó que la ionización 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 ésta 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 día y la noche.

De acuerdo con Hess, era imposible una explicación del aumento de la ionización con el incremento de la altura que se basara en la acción de sustancias radiactivas. Las emanaciones de radón y otras sustancias radiactivas en la atmósfera, "no podían producir ni siquiera un veinteavo del menor efecto observado a una altura de uno o dos kilómetros". De ahí que para interpretar sus resultados tuviese que recurrir a una novedosa hipótesis, en la que proponía la existencia de una radiación muy penetrante, hasta ese entonces desconocida, que llegaba a la atmósfera desde afuera, es decir, del espacio exterior, y que no podía ser de origen solar dado que no se observaba diferencia alguna entre la ionización medida durante el día y la noche. Esta radiación pronto llegaría a ser conocida como radiación cósmica. Veinticuatro años más tarde, Hess recibiría por ese descubrimiento el Premio Nobel de Física; descubrimiento que desempeñaría un papel extraordinario en el desarrollo de la física moderna y tendría considerables implicaciones en geofísica, meteorología, astrofísica y otras áreas de la ciencia.

Poco después W. Kolhörster, en Alemania, extendió las observaciones de Hess a alturas mucho mayores y confirmó que la ionización continuaba aumentando al menos hasta los 9 300 metros de altura. Las lecturas de sus aparatos indicaban que la ionización a esa altura era 50 veces mayor que en la superficie.

Aun cuando estas observaciones pudieron haberse considerado como una prueba irrefutable de la hipótesis de Hess, muchos físicos no quedaron convencidos del origen extraterrestre de esa radiación. Se arguyó que la fuente de ésta podría estar en la misma atmósfera. Por ejemplo, C. T. R. Wilson, el inventor de la cámara de niebla⁴ y uno de los expertos en el fenómeno de la ionización, sugirió que esa radiación podía ser producida por tormentas eléctricas a grandes alturas en la atmósfera, mientras que otros físicos sugirieron que la atmósfera podía contener pequeñas cantidades de elementos radiactivos en estado gaseoso, ya que se sabía que existían elementos como el radón en ese estado. Si por alguna razón esos elementos tendían a concentrarse en las capas altas de la atmósfera, entonces ésa podía ser la causa del incremento de la ionización con la altura.

De acuerdo con estas dos sugerencias, la intensidad de la radiación desconocida debía, por tanto, variar con las condiciones meteorológicas, la hora, el día y la estación. Las tormentas eléctricas obviamente no ocurrían siempre y era inconcebible que la distribución de esos hipotéticos gases radiactivos en la atmósfera permaneciese constante durante el día, el año y aun cuando cambiase el tiempo. Por otro lado, Hess ya había demostrado la aparente ausencia de variaciones temporales en la intensidad de dicha radiación, resultado que sería confirmado más tarde por otras investigaciones. A pesar de la limitada exactitud de los instrumentos de esa época, la radiación era, en general, bastante uniforme. Llegaba durante el día y la noche, en verano e invierno, lloviese o no, y cambiaba muy poco de un día a otro, así como de un lugar a otro a la misma latitud.

Sin embargo, no todo mundo quedó satisfecho, aún existían algunas dudas entre los físicos y es así 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 radiación tanto a grandes alturas (15.5 km) como por debajo del agua. Sin embargo, los experimentos en globo causaron una gran polémica entre los físicos alemanes y austriacos, dadas las discrepancias entre los resultados americanos y europeos. La ionización a grandes alturas sobre San Antonio, Texas, era únicamente 25% de lo que se esperaba extrapolando la curva de Hess-Kolhörster medida en Europa central. Para Millikan, las conclusiones de este experimento, y otros que realizó durante 1924, eran obvias: "... la totalidad de esta radiación penetrante es de origen local. Cómo llegan a la alta atmósfera esas cantidades de material radiactivo es algo que todavía no sabemos."

Ésta fue una de las muchas conclusiones equivocadas a las que se llegó durante esa década en este nuevo campo de estudio. De hecho, el flujo de ideas sobre los rayos cósmicos era tal en aquellos días que suscitó diversas anécdotas. Por ejemplo, el mismo Millikan, años más tarde, al aparecer como testigo experto en el campo, en el juicio de un hombre que había sido acusado de estafador por haber vendido unas botellas que contenían un liquido que, según aseguraba él, tenía propiedades curativas por haber sido irradiado con rayos cósmicos, apuntó que en efecto el contenido de las botellas había sido irradiado por rayos cósmicos. Y en cuanto a las alegadas propiedades medicinales del mismo, dijo: "¿quién no ha hecho afirmaciones incorrectas sobre los rayos cósmicos?"

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 año 1926, del origen extraterrestre de esos etéreos rayos; fue él quien los bautizó con el nombre de "rayos cósmicos", el hombre que, según Rossi, había sido el más escéptico entre los escépticos.

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 partículas que viajan verticalmente. De ahí que sumergiendo detectores a diferentes profundidades en los dos lagos (Figura 2), Millikan encontrara que "dentro de los límites de error observacional, cada lectura en el lago Arrowhead corresponde a una lectura en el lago Muir seis pies más abajo". De esta manera mostraba que los rayos venían de arriba y que su origen era externo a la capa de atmósfera entre los niveles de los dos lagos.

Figura 2. El experimento de Millikan consistió en colocar, como se muestra, electroscopios a los niveles E en ambos largos, estando el del lago Muir 2 metros más abajo que el del lago Arrowhead. Si no se creaban rayos cósmicos en el aire entre los dos lagos las intensidades medidas en ambos serían iguales. Sin embargo, si nuevos rayos (líneas punteadas) eran creados en la capa de aire, entonces el electroscopio en el lago Arrowhead registraría más rayos que el del lago Muir.

Suponiendo que la intensidad inicial de los rayos cósmicos que entraba en la atmósfera terrestre fuera la misma en los dos sitios, este resultado demostraba que la capa de aire entre los dos lagos actuaba únicamente como absorbente y que en ella no se generaban rayos cósmicos. Por lo tanto, los rayos cósmicos venían de arriba y su origen era extratmosférico.

El trabajo de Millikan y su grupo hizo historia no sólo por los resultados científicos obtenidos sino también por lo novedoso e ingenioso de las técnicas empleadas. Millikan y Bowen desarrollaron una cámara de ionización⁵ que podía registrar la intensidad de la ionización automáticamente en película fotográfica 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 tripulación); después de alcanzar una altura de 15.5 km uno de los globos reventaba y el otro traía suavemente a tierra el instrumental científico para su recuperación y posterior estudio. El uso de estos globos no tripulados que llevaban instrumentos automáticos eliminaba los peligros y reducía el alto costo de vuelos como los realizados por Hess y Kolhörster, vuelos que, aunque exitosos, siempre tuvieron cierto grado de incertidumbre. Esta técnica de registro automático, utilizada en un principio en vuelos de globo a grandes alturas por Millikan y Cameron para determinar la variación de la ionización con la altura, fue usada posteriormente por Regener en Alemania para extender, bajo el agua, las medidas de la intensidad de la ionización. En el lago Constanza, a una profundidad de 260 m, equivalente a una presión de 25 atmósferas, Regener encontró que la ionización era aún apreciable, lo que hablaba de un poder de penetración de la radiación cósmica mucho mayor que el supuesto por Millikan y Cameron [Figuras 3 (a) y 3 (b)].

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

A partir de ese momento, el número de investigadores en este nuevo campo de la física se incrementó rápidamente, sin saber lo que los rayos cósmicos eran en realidad.

En mayo de 1931, en la ciudad de Londres, científicos 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 podríamos llamar el Primer Congreso Internacional de Rayos Cósmicos. En aquel entonces, el título de dicha reunión fue "Discusión sobre los rayos ultrapenetrantes".