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Los rayos cósmicos cambian de composición a mitad de camino ✎exprés
Original: "Cosmic ray mass composition measurement in the energy range from $$10^{16.5}$$ eV to $$10^{18.5}$$ eV observed with the TALE hybrid detector"
El detector TALE capturó partículas del espacio durante cinco años y notó que alrededor de la energía de $$10^{17}$$ eV su composición cambia bruscamente.
Los rayos cósmicos no son luz, sino partículas cargadas que bombardean la Tierra desde todas direcciones. La mayoría son protones (núcleos de hidrógeno), pero también hay núcleos más pesados: de helio, nitrógeno, hierro. Cuando una de estas partículas choca con la atmósfera, genera toda una cascada de partículas secundarias, y por la forma de esa cascada se puede saber qué llegó.
El detector TALE, en Utah, EE. UU., recopiló datos de estas cascadas durante cinco años. Consiste en telescopios de fluorescencia que ven el débil resplandor del aire y detectores de centelleo en tierra que atrapan partículas en el suelo. Juntos permiten determinar con precisión la profundidad a la que la cascada alcanza su máximo, y esa profundidad está directamente relacionada con la masa de la partícula primaria.
Cuanto más pesado es el núcleo, más rápido gasta su energía en la atmósfera, y la cascada resulta "corta": su máximo está más cerca de las capas superiores. Un protón ligero penetra más profundamente y la cascada se alarga.
El resultado principal: la gráfica de la profundidad media del máximo en función de la energía tiene un quiebre alrededor de $10^{17}$ eV. Por debajo de esa energía, la composición de los rayos cósmicos se vuelve cada vez más pesada: la proporción de hierro y núcleos similares aumenta, y la de protones disminuye. Por encima, ocurre lo contrario: los protones vuelven a dominar.
Este comportamiento parece un cambio de "proveedor". Dentro de nuestra galaxia, las partículas se aceleran principalmente en los restos de supernovas, y allí predominan los núcleos pesados. Pero fuera de la galaxia, en los núcleos activos de galaxias lejanas u otros aceleradores potentes, nacen más protones. El quiebre coincide con el llamado "segundo codo": la energía donde se cree que termina la influencia de las fuentes galácticas y comienza la extragaláctica.
El trabajo no solo refina el panorama, sino que da una estimación cuantitativa: la proporción de protones después del quiebre aumenta con la energía, y la de hierro disminuye. Esto es un fuerte argumento a favor de que por encima de $10^{17}$ eV vemos principalmente partículas de más allá de la Vía Láctea.
Un rayo cósmico con una energía de $10^{18}$ eV transporta tanta energía como una pelota de tenis bien golpeada, pero toda ella concentrada en una sola partícula subatómica.