II. ¿QUÉ SON EN REALIDAD LOS RAYOS CÓSMICOS?

A FINALES de la década de los veinte, más de diez años después del descubrimiento de los rayos cósmicos, al igual que hoy en día, el término "radiación" se refería a una variedad de fenómenos físicos cuya principal característica es el transporte de energía, ya sea a través del flujo de partículas atómicas o subatómicas (radiación corpuscular), o de ondas tales como aquellas que caracterizan a la luz, el calor y los rayos X (radiación electromagnética).

Puesto que de estas radiaciones la más penetrante era la radiación gamma (rayos g)⁷ proveniente de materiales radiactivos, era natural interpretar que la radiación cósmica se debía a rayos g de muy alta energía. El mismo Millikan supuso que los rayos cósmicos eran rayos g de altísima energía (los denominó ultra rayos-g). El otro candidato, la radiación b⁸ proveniente de materiales radiactivos, la radiación corpuscular más penetrante conocida en aquel entonces era, sin embargo, absorbida en menos de 0.001 m de plomo.

En ese entonces habían probado que la radiación cósmica, aparentemente, no venía del Sol ni de las estrellas ya que la ionización que producía no se veía influida por cambios en la posición del Sol o de las masas estelares que componían la galaxia. Aun así, la cantidad de energía total traída a la Tierra por los rayos cósmicos era enorme: comparable con aquella proveniente de la luz de las estrellas.

Es así que hasta mediados de los treinta las investigaciones sobre los rayos cósmicos se enfocaron, principalmente, a determinar su espectro de energía y encontrar su lugar de origen.

Millikan y colaboradores, a finales de los veinte habían quedado convencidos de que los rayos cósmicos no podían ser radiación corpuscular dado que aparentemente no existía una variación en su intensidad con la latitud, debido a la influencia del campo magnético de la Tierra sobre las partículas. Si la radiación cósmica estaba constituida por partículas cargadas eléctricamente, entonces serían canalizadas de alguna manera hacia los polos a lo largo de las líneas de campo. Por otro lado, si los rayos cósmicos eran radiación electromagnética, ésta no se vería afectada por el campo magnético terrestre. En caso de que la radiación fuese corpuscular, a altas latitudes (regiones polares) su intensidad sería mayor que en las regiones ecuatoriales.

En 1927, el físico holandés J. Clay, en un viaje entre Holanda (latitud 52° N) y Java (latitud 6° S), había encontrado un decrecimiento en la intensidad de los rayos cósmicos del orden del 11%. Sin embargo, en 1928 Millikan y asociados no habían encontrado cambio apreciable en la intensidad entre Los Angeles (latitud 34° N) y Perú (latitud 12° S). En 1930, Millikan tampoco pudo encontrar evidencia alguna de dicho efecto entre Pasadena (latitud 34° N) y Churchill, Canadá (latitud 54° N).

Era obvio que la existencia de un efecto latitudinal en la intensidad de los rayos cósmicos era muy dudosa. Si ésta existía debía ser muy pequeña y no podía ser atribuida con certeza al campo magnético terrestre. Se argumentaba, y con razón, que las diferentes condiciones atmosféricas en los diferentes lugares geográficos en los que se habían realizado mediciones podían producir cambios significativos en la intensidad de los rayos cósmicos al nivel del mar. Para Millilkan y su grupo la ausencia de un efecto latitudinal apreciable en la intensidad de los rayos cósmicos era prueba de que éstos no eran partículas cargadas eléctricamente.

Los candidatos más viables eran, por lo tanto, fotones de muy alta energía, superior a cualquiera de los rayos g mas energéticos conocidos en aquel entonces: los provenientes de materiales radiactivos. La principal razón para esta suposición eran los conocimientos teóricos que se tenían sobre la manera en que la radiación gamma era absorbida en la atmósfera: a través de efectos Compton⁹ (véase el capítulo III). Para probar esta hipótesis, el procedimiento seguido consistió en asignar a los rayos g (fotones) una distribución de frecuencia (energía)¹⁰ inicial arbitraria y observar sus consecuencias, es decir, la variación de la ionización producida como función de la profundidad atmosférica, en lagos, o bajo algún otro material absorbente. Mediante el método de "prueba y error" se determinó el espectro de energía (la intensidad del número de fotones en una región de frecuencias) que mejor ajustaba a las observaciones. Éste, sin embargo, resultó ser la suma de tres grupos de fotones con energías de 26, 110 y 220 MeV.¹¹ Millikan y Cameron interpretaron esos resultados como evidencia de que la radiación cósmica era una mezcla de fotones con esas energías.

El origen de estos diferentes grupos de fotones fue atribuido por esos científicos a procesos de transmutación energética en el cosmos. De acuerdo con esa hipótesis, el cosmos está lleno de hidrógeno muy diluido, a partir del cual los átomos de elementos más pesados pueden evolucionar continuamente mediante un proceso espontáneo de fusión¹² . De vez en cuando, por ejemplo, cuatro átomos de hidrógeno pueden juntarse y fusionarse para formar un átomo de helio. Estos procesos de fusión se llevan a cabo en los interiores estelares.

Ahora bien, puesto que un átomo de helio pesa ligeramente menos que cuatro átomos de hidrógeno, esta diferencia de masa, de acuerdo con el principio de equivalencia de masa y energía de Einstein (E = mc²), es liberada como energía. Resulta que en este caso, la cantidad de energía 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 radiación cósmica.

Alentado por este resultado, Millikan exploró la posibilidad de encontrar una explicación similar para el origen de los otros dos grupos. Por suerte, entre los elementos más abundantes en el Universo se encuentran el nitrógeno y el oxígeno. Un átomo del primero pesa aproximadamente 1.8 x 10^-28 kg, menos que catorce átomos de hidrógeno, mientras que el átomo de oxígeno es 2.2 x 10^-28 kg más liviano que dieciséis átomos de hidrógeno. Cuando estos defectos de masa son convertidos en energía, tenemos que, al fusionar catorce átomos de hidrógeno para formar uno de nitrógeno, se liberan 99.2 MeV de energía, mientras que para crear un átomo de oxígeno a partir de dieciséis de hidrógeno, se liberan 121.4 MeV.

La proximidad entre estos valores y aquellos determinados para la energía de los fotones del segundo grupo era sorprendente, de ahí que Millikan concluyera que esos fotones resultaban también de la síntesis de elementos más pesados, principalmente, el nitrógeno y el oxígeno. Pero eso no era todo, otro de los elementos abundantes en el Universo es el silicio, para el cual se requieren veintiocho átomos de hidrógeno. Haciendo los mismos cálculos se encuentra que el proceso de fusión de veintiocho átomos de hidrógeno libera 225.6 MeV de energía, valor casi igual a la energía calculada para los fotones del tercer grupo. Todas estas coincidencias, meramente accidentales, convencieron a muchos de que los rayos cósmicos eran el "grito primigenio" de los átomos que están siendo continuamente creados en el espacio. El mismo Millikan, en 1928, expresó ese punto de vista con las siguientes palabras: "Los rayos cósmicos que observamos son las señales transmitidas a través de los cielos, del nacimiento de los elementos comunes a partir de electrones positivos y negativos."

Mientras tanto, ciertos experimentos parecían indicar que la ionización producida por los rayos cósmicos podía ser atribuida a partículas cargadas eléctricamente. En 1927, el físico ruso D. Skobeltzyn, al estudiar las fotografías de las trayectorias de electrones secundarios producidos por un haz de rayos g en una cámara de niebla colocada en un campo magnético, había observado que existían una o dos trayectorias de partículas b, con energías un orden de magnitud superior a las emitidas por las sustancias radiactivas conocidas, que no estaban conectadas al haz de rayos g. Más aún, observaciones posteriores mostraron que trayectorias similares ocurrían tan frecuentemente que podían explicar la totalidad de la ionización de los rayos cósmicos.

Bothe y Kolhörster ya habían 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 simultáneamente. Estas descargas, o coincidencias, no podían ser accidentales, dado que eran menos frecuentes cuando la distancia entre los contadores se incrementaba.

Un fotón podía, en principio, producir una coincidencia por un doble efecto Compton [Figura 4 (a)]. Sin embargo, dado que la probabilidad de una colisión Compton en la pared o en el gas del contador era muy pequeña, la probabilidad de dos colisiones de este tipo era, por lo tanto, despreciable. Bothe y Kolhörster concluyeron, acertadamente, que las coincidencias observadas debían ser debidas al paso a través de los contadores de partículas individuales cargadas eléctricamente. [Figura 4 (b)]. Más aún, dichas partículas no podían ser partículas a¹³ ya que las paredes de los contadores (0.001 m de espesor de cinc) detendrían todas esas partículas.

En realidad, esto no contradecía el punto de vista según el cual la radiación primaria que llegaba a nuestra atmósfera del espacio exterior fuesen fotones de muy alta energía. Puesto que los fotones sufren colisiones Compton en la atmósfera, las partículas ionizantes observadas podían ser electrones de rechazo que resultaban de dichas colisiones. Dado que se creía que esos electrones tenían energías que iban desde 20 hasta vanos cientos de MeV, se suponía que fácilmente podían atravesar las paredes de los contadores.

Figura 4. Coincidencias producidas por fotones y partículas cargadas. En el primer caso. (a) un fotón puede producir un electrón Comptom en el contador de arriba y otro en el de abajo que descarguen simultáneamente ambos contadores. En el segundo caso (b) toda partícula cargada que atraviese ambos contadores producirá una coincidencia.

Bothe y Kolhörster realizaron entonces su famoso experimento basándose en la idea de que las partículas b observadas por Skobeltzyn estaban relacionadas con la radiación cósmica. Más aún, creían que esas partículas cargadas eran la causa inmediata de la ionización observada. El problema era, por lo tanto, saber si esas partículas eran de origen secundario o si eran en realidad la misma radiación primaria que llegaba a nuestra atmósfera 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 Kolhörster para dilucidar la naturaleza corpuscular de la radiación cósmica. Una descripción detallada del experimento se da en el texto.

La distancia entre los contadores era de 0.045 m para así poder intercambiar material absorbente que tuviera ese mismo espesor entre los contadores. Las primeras mediciones con ese instrumento las realizaron en el sótano 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 número de descargas simultáneas de los dos contadores excedía por mucho el número de descargas que se esperarían accidentalmente. Para su sorpresa, el número 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 área 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 número 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. Sólo después de haber hecho esto obtuvieron una reducción en el número de coincidencias del orden de 24% debido exclusivamente a la capa de oro. Esto quería decir que el 76% de la radiación cósmica cerca del nivel del mar podía penetrar 0.041 m de plomo.

Este resultado era sorprendente ya que de acuerdo con las estimaciones más generosas, sólo una pequeña fracción de los electrones producidos por efectos Compton en un punto dado de la atmósfera tendría un alcance ¹⁵ tan grande.

Con esta medición y aquellas obtenidas en el sótano 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 absorción [véase, por ejemplo, la figura 3 (a)].

La principal conclusión a que llegaron Bothe y Kolhörster fue el haber "detectado una radiación corpuscular por la cual podían ser explicados los hasta entonces conocidos efectos de la Höhenstrahlung.¹⁷ Es poco probable que exista una radiación gamma de poder de penetración comparable y no existe hasta ahora razón alguna para dicha suposición".

Este experimento demostró que el poder de penetración de las partículas ionizantes era comparable con aquel deducido de la variación con la profundidad atmosférica de toda la radiación cósmica. Bothe y Kolhörster hicieron notar también que las partículas de menor energía, entre aquellas que observaron, serían excluidas de las zonas ecuatoriales, como habían mostrado los experimentos realizados por Clay.

La prueba final de que los rayos cósmicos eran partículas cargadas provino del experimento iniciado en 1930 por A. H. Compton, quien, en un programa de investigación de heroicas proporciones, que incluyó a físicos de 80 instituciones, llevó a cabo una serie de mediciones de la intensidad de los rayos cósmicos en 69 estaciones alrededor del mundo, usando instrumentos similares calibrados en el lugar por medio de la ionización producida por una cápsula patrón de radio. Estas observaciones confirmaron la existencia de un efecto latitudinal en la intensidad de la radiación cósmica, como lo había reportado en 1927 J. Clay, quien, por cierto, para ese entonces, había empezado a dudar de sus resultados.

Compton hizo notar también que sus resultados estaban mejor correlacionados con la latitud geomagnética que con la geográfica, resultado que sería confirmado más tarde, especialmente por las extensas observaciones realizadas al nivel del mar por Millikan y Neher. Estos últimos, así como Clay, independientemente, descubrieron en 1934 que aun la más ligera variación en la intensidad del campo geomagnético a lo largo del ecuador se reflejaba en la intensidad de los rayos cósmicos.

Una vez que la naturaleza corpuscular de los rayos cósmicos quedó establecida, la investigación sobre la radiación cósmica llegó a su mayoría de edad. El interés en este campo floreció de manera impresionante. Mientras que el número de trabajos científicos sobre este tema, tanto teóricos como experimentales, fue alrededor de 10 entre 1912 y 1936, éste llegó a más de 200 por año entre 1933 y 1936, incrementándose aún más a partir de ese momento.

Desde entonces, la investigación sobre la radiación cósmica se desarrolló a lo largo de dos líneas. Una, que tenía que ver con los mismos rayos cósmicos: ¿qué son?, ¿de dónde vienen?, ¿cómo llegan aquí?, etc., y la otra, que utilizaba a estas partículas subatómicas provenientes del espacio exterior para estudiar sus interacciones con la materia.

Esta última categoría fue objeto de gran interés en un principio, ya que los rayos cósmicos sirvieron para probar la validez de las leyes de la electrodinámica cuántica ¹⁸ en regiones de energías extremas (relativistas), en las cuales se habían predicho teóricamente ciertas rupturas. Los rayos cósmicos sirvieron entonces como el medio para descubrir e investigar las propiedades de nuevas "partículas elementales". Por último, fueron la principal fuente de partículas energéticas para el estudio de interacciones nucleares de alta energía. El propósito básico era poder entender, a través de ellas, los procesos físicos relacionados con las fuerzas nucleares.

En todos los años transcurridos desde el descubrimiento de los rayos cósmicos y su identificación como radiación corpuscular, etapa llamada por algunos "la era heroica de la exploración de los rayos cósmicos", hubo muchas suposiciones incorrectas sobre la naturaleza de los mismos, así como otras correctas. Algunas de estas últimas fueron por razones equivocadas. Un buen ejemplo de una respuesta correcta por razones equivocadas lo constituye el experimento de Bothe y Kolhörster en 1929, donde encontraron partículas cargadas que podían atravesar 0.041 m de oro. Concluyeron que la radiación primaria debía consistir en partículas cargadas, ya que los fotones serían completamente absorbidos por tanto oro. Como veremos más adelante, hoy sabemos que las partículas cargadas que detectaron no eran rayos cósmicos primarios, sino mesones m, los cuales son de origen secundario.

La verdadera naturaleza de la radiación incidente en la Tierra no fue realmente determinada sino hasta finales de los cuarenta. Durante los treinta ya había ciertas indicaciones de que uno de los constituyentes principales de la radiación cósmica primaria eran los protones, pero no fue sino hasta que se llevaron a cabo ciertos experimentos con emulsiones fotográficas, a grandes alturas (en globos), cuando se pudo determinar que la radiación primaria consistía de protones, partículas a y núcleos más pesados.