El brillo azul que aparece en el agua revela partículas extremas del universo: la radiación Cherenkov
En el cosmos ocurren procesos invisibles al ojo humano. Un resplandor azul generado en el agua permite estudiar partículas energéticas y comprender mejor algunos de los fenómenos más extremos del universo.
En el Universo existen procesos capaces de acelerar partículas hasta velocidades cercanas a la de la luz. Gracias a la Teoría de la Relatividad Especial sabemos que nada puede superar la velocidad de la luz en el vacío, esta es una regla fundamental del espacio y la energía.
Sin embargo, esta regla presenta una excepción cuando la luz viaja a través de ciertos medios materiales, como el agua, en donde una partícula cargada con suficiente energía puede desplazarse a mayor velocidad que la luz en ese medio específico, ojo, seguirá sin superar la velocidad en el vacío.
Y lo más importante es que este destello es una herramienta clave para la astrofísica actual. Los investigadores utilizan esta luz en detectores de neutrinos instalados bajo hielo o agua para estudiar interacciones que no pueden observarse directamente mediante telescopios convencionales.
Además de los neutrinos, existen instalaciones que aplican este mismo principio para estudiar rayos cósmicos. Un ejemplo es el observatorio HAWC, que emplea grandes tanques de agua a gran altitud para analizar partículas de alta energía que alcanzan la Tierra.
Radiación Cherenkov y estudio del cielo
Una de las formas de investigar fenómenos cósmicos de alta energía, es con detectores que usan grandes volúmenes de agua para captar partículas secundarias generadas por rayos cósmicos y fotones de alta energía al entrar a la atmósfera, los cuales registran la luz producida cuando cruzan el agua y alcanzan los detectores en el fondo.
El observatorio HAWC, ubicado al norte de Puebla, a 4100 metros de altitud, emplea esta técnica utilizando 300 tanques de agua, donde cada uno de ellos contiene fotomultiplicadores que convierten la luz Cherenkov generada por partículas en señales eléctricas útiles para el análisis.
Los rayos gamma registrados provienen de estallidos que liberan enormes cantidades de energía en apenas breves segundos y donde las partículas son aceleradas a 100 GeV y 100 TeV. Estos rayos inician una cascada de partículas en la atmósfera, algunas alcanzan el suelo y penetran el agua de los tanques.
Con los datos registrados se pueden reconstruir la dirección de llegada y la energía de las partículas primarias en un análisis espacial de los patrones de luz en los tanques que puede distinguir entre cascadas iniciadas por fotones y aquellas causadas por partículas cargadas proveniente del fondo de rayos cósmicos.
Origen cósmico y destellos
La forma en que se da esta “lluvia” es sorprendente:
- Los rayos gamma interactúan con moléculas de aire y
- producen extensas lluvias de partículas que llegan al detector.
- El patrón de luz Cherenkov generado por estas lluvias se distribuye radialmente desde el eje principal del evento, con lo que podemos identificar su origen.
En contraste, los rayos cósmicos cargados producen lluvias más dispersas al romperse en la atmósfera. Es así que los detectores analizan la distribución de señales en los tanques para filtrar eventos de rayos cósmicos y centrar el estudio en los rayos gamma de alta energía.
Este procedimiento de separación es crucial para obtener estudios fiables de fuentes astronómicas mediante algoritmos de selección donde se eliminan las señales no deseadas y se conserva sólo la información relevante para estudiar las fuentes de rayos gamma.
Con el ruido de fondo reducido, los investigadores pueden estimar con mayor exactitud la dirección real de las partículas observadas, acercándose a la ubicación de los objetos emisores en el cielo. Una reconstrucción clave para entender los fenómenos de muy alta energía y su origen.
Respuestas ocultas tras la radiación Cherenkov cósmica
A diferencia de los telescopios tradicionales que sólo observan diminutas porciones del inmenso firmamento en regiones específicas y bajo condiciones restringidas, los detectores de agua Cherenkov registran señales día y noche en vastas áreas del cielo, obteniendo un inventario más completo del cielo en altas energías.
Esto es gracias a que los experimentos con detectores de agua Cherenkov tienen un campo de visión amplio que cubre hasta dos tercios del cielo en un día, lo que permite un monitoreo constante de las fuentes de rayos gamma de muy alta energía provenientes de explosiones de supernovas o de choques entre agujeros negros masivos.
Además de fuentes persistentes, estos detectores también pueden observar eventos transitorios de corta duración. La operación continua de HAWC permite captar variaciones rápidas en la emisión gamma, lo que contribuye a la comprensión dinámica de procesos astrofísicos.
Así, una regla física que se manifiesta como luz bajo el agua ofrece acceso a partículas provenientes de regiones distantes y que nos revelan un cosmos dinámico, extremadamente violento e infinitamente hermoso, el cual apenas comenzamos a comprender desde nuestro pequeño planeta en la esquina del Universo.