Los rayos cósmicos como termómetro y brújula magnética exprés
Cada segundo, partículas invisibles provenientes del espacio se estrellan contra la atmósfera terrestre: son los rayos cósmicos. Al chocar con las moléculas del aire, generan lluvias de partículas secundarias, entre las que abundan especialmente los muones. El muón es un pariente pesado del electrón que vive apenas un par de microsegundos, pero logra llegar hasta el suelo. En el observatorio GRAPES-3, en el sur de la India, hay un telescopio gigante de 560 metros cuadrados que cuenta estos muones sin descanso. En un día acumula unos cuatro mil millones de partículas, una estadística tan precisa que las variaciones horarias del flujo se notan en el nivel de centésimas de punto porcentual.
Resulta que los muones son excelentes termómetros. Cuando las capas altas de la atmósfera (por encima de los 20 kilómetros) se calientan, el aire se expande y los muones tienen que atravesar más cantidad de materia. Algunos se desintegran en el camino y el flujo en el suelo se debilita. Y al revés: una estratosfera fría se contrae y llegan más muones. Durante 22 años de observaciones, de 2001 a 2022, los científicos compararon el flujo de muones con los datos de temperatura de la base meteorológica MERRA-2. Descubrieron que un calentamiento de la atmósfera superior de un grado reduce el flujo de muones en un 0,22 por ciento.
El segundo factor es el campo magnético interplanetario, creado por el viento solar. Los satélites ACE y WIND, situados en el punto de Lagrange L1 entre la Tierra y el Sol, miden este campo de forma continua. Se comprobó que un aumento del campo de un nanotesla (aproximadamente cien mil veces más débil que el imán de un refrigerador) reduce el flujo de muones en un 0,57 por ciento. Es como si un escudo invisible gigante apareciera y desapareciera frente a la Tierra, cambiando la cantidad de partículas que llegan.
La utilidad práctica es evidente: en lugar de costosos satélites para monitorear la estratosfera y el clima espacial, se pueden usar telescopios de muones terrestres. Funcionan de forma continua, no les afectan las nubes y ofrecen datos cada pocos minutos. Así, la física de partículas se convierte en un servicio meteorológico, pero del clima a 30 kilómetros de altura y a millones de kilómetros de la Tierra.
Resumen original
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2602.11847
We study the influence of variations in the upper atmospheric temperature and interplanetary magnetic field on the cosmic ray induced atmospheric muon flux measured by the GRAPES-3 experiment over 22 years (2001--2022) of data; spanning three solar cycles: the declining phase of Solar Cycle 23, the full Cycle 24, and the rising and maximum phases of Cycle 25. Located in Ooty- India, the GRAPES-3 large area (560\,$$m^2$$) muon telescope detects $$\sim$$4 billion muons daily above 1\,GeV, with an angular resolution of $$\sim$$4$$^\circ$$, enabling a statistical precision $$<$$0.01\% on the hourly muon rate. After accounting for the effect of atmospheric pressure variations, we compare this data with the upper atmospheric temperature inferred from NASA's MERRA-2 dataset as well as magnetic field data from the ACE and WIND spacecraft at Lagrange point L1. A simultaneous iterative fitting method employing Fast Fourier Transforms and a narrow band-pass filter reveals the temperature and magnetic field coefficients to be $$\alpha_T=-\,0.2241\,\pm\,0.04\, (stat.)\,\pm\,0.0220\, (syst.)\,\%\,K^{-1}$$ and $$\gamma_{M}=-\,0.574\,\pm\,0.027\, (stat.)\,\pm\,0.011\, (syst.)\,\%\,\text{nT}^{-1}$$, respectively, for an assumed hadronic attenuation length $$\lambda$$=120 g cm$$^{-2}$$, underscoring the potential of the GRAPES-3 muon telescope to serve as a real time monitor of the upper atmospheric temperature or interplanetary magnetic field.
Los muones nacen a unos 15 kilómetros de altura, pero gracias a la dilatación relativista del tiempo logran llegar a la superficie, aunque sin ese efecto se desintegrarían a los 600 metros.