Tierra se riega con los rayos cósmicos. Ellos
son protones, electrones y núcleos atómicos que viajan casi a la
velocidad de la luz, y golpean nuestra atmósfera para crear la mayoría
de las colisiones de partículas de energía jamás observadas. Cuando
una partícula se aproxima a la velocidad de la luz, esa energía
aumenta de forma exponencial, por lo que podría parecer que no hay un
límite superior a cuánta energía los rayos cósmicos pueden tener. Pero resulta que existe un límite, al menos en teoría.
El límite está impuesto por el fondo cósmico de microondas (CMB). Este remanente térmica de la explosión grande llena el universo con un mar de fotones de microondas, por lo que observamos el CMB desde todas las direcciones en el espacio. Pero debido a la relatividad, un rayo cósmico moviéndose a casi la velocidad de la luz observará esta radiación en gran medida desplazó azul. En lugar de un mar de microondas débiles, estos rayos cósmicos observan los fotones del CMB como los rayos gamma de alta energía. En ocasiones, el rayo cósmico chocará con un fotón, la producción de partículas tales como piones y tomando parte de la energía del rayo cósmico. Esto continuará hasta que el rayo cósmico no es lo suficientemente potente como para producir colisiones de piones. Como resultado, sobre la vasta extensión del espacio intergaláctico cualquier rayos cósmicos de alta energía realmente se reducirá a esta energía de corte.
El límite está impuesto por el fondo cósmico de microondas (CMB). Este remanente térmica de la explosión grande llena el universo con un mar de fotones de microondas, por lo que observamos el CMB desde todas las direcciones en el espacio. Pero debido a la relatividad, un rayo cósmico moviéndose a casi la velocidad de la luz observará esta radiación en gran medida desplazó azul. En lugar de un mar de microondas débiles, estos rayos cósmicos observan los fotones del CMB como los rayos gamma de alta energía. En ocasiones, el rayo cósmico chocará con un fotón, la producción de partículas tales como piones y tomando parte de la energía del rayo cósmico. Esto continuará hasta que el rayo cósmico no es lo suficientemente potente como para producir colisiones de piones. Como resultado, sobre la vasta extensión del espacio intergaláctico cualquier rayos cósmicos de alta energía realmente se reducirá a esta energía de corte.
Protones de alta energía chocan con los fotones del CMB, produciendo piones mientras que la pérdida de energía. Crédito: Wolfgang Bietenholz
Este punto de corte se conoce como el límite GZK, después de Kenneth greisen, Vadim Kuzmin, y Georgiy Zatsepin, que calcula el límite de ser aproximadamente 8 julios de energía (un protón se desplaza a 99,999998% de la velocidad de la luz), y que cualquier rayo cósmico que viaja a menos 160 millones de años luz habrá disminuido por debajo de este límite. Mientras que eso es una enorme cantidad de energía, se han realizado observaciones de rayos cósmicos de energía aún mayor. El más alto de los rayos cósmicos de energía tenía una energía de alrededor de 50 julios. Como es esto posible?
La respuesta corta es que no estamos seguros. Los rayos cósmicos de alta energía son más poderosos que cualquier acelerador de partículas que tenemos, por lo que estos tipos de partículas no se pueden recrear en el laboratorio. Una posibilidad es que nuestra medición de los rayos cósmicos de alta energía es de alguna manera equivocada. No se observa directamente los rayos cósmicos, pero en lugar observamos la lluvia de partículas que crean al golpear nuestra atmósfera. De esto se infiere su energía y su composición. Si bien esto es ciertamente una posibilidad, las observaciones que tenemos parecen bastante robusto.
Otra solución es que estos rayos cósmicos se producen localmente (en un sentido cósmico). La mayoría de los rayos cósmicos han viajado miles de millones de años luz antes de llegar a nosotros, pero si un rayo cósmico se produjo menos de 160 millones de años luz de distancia podría tener más energía que el límite GZK. El problema con esta idea es que no hay una fuente conocida de los rayos cósmicos de alta energía dentro de 160 millones de años luz, por lo que esta respuesta se limita a sustituir la paradoja GZK con el misterio de su origen. Otra posibilidad es que los rayos cósmicos más alto de energía podrían ser núcleos más pesados. Alrededor del 90% de los rayos cósmicos son protones, y otro 9% son partículas alfa (núcleos de helio), con el resto en su mayoría electrones. Es posible que algunos rayos cósmicos son núcleos de elementos más pesados tales como carbono, nitrógeno, o incluso de hierro. Tales núcleos pesados podrían ser capaces de sostener su energía a grandes distancias cósmicas, superando así el límite GZK.
Sin embargo, otra opción es quizás la más tentadora. Dado que estos rayos cósmicos tienen más energía que cualquier cosa que podamos crear en el laboratorio, son una prueba de la realidad física de partículas de alta energía. Es posible que el límite GZK es simplemente no válida. Se basa en nuestro conocimiento actual del modelo estándar, y si el modelo estándar está mal por lo que pude el límite GZK. La respuesta a la paradoja GZK podría ser una nueva física que aún no entendemos.
Este punto de corte se conoce como el límite GZK, después de Kenneth greisen, Vadim Kuzmin, y Georgiy Zatsepin, que calcula el límite de ser aproximadamente 8 julios de energía (un protón se desplaza a 99,999998% de la velocidad de la luz), y que cualquier rayo cósmico que viaja a menos 160 millones de años luz habrá disminuido por debajo de este límite. Mientras que eso es una enorme cantidad de energía, se han realizado observaciones de rayos cósmicos de energía aún mayor. El más alto de los rayos cósmicos de energía tenía una energía de alrededor de 50 julios. Como es esto posible?
La respuesta corta es que no estamos seguros. Los rayos cósmicos de alta energía son más poderosos que cualquier acelerador de partículas que tenemos, por lo que estos tipos de partículas no se pueden recrear en el laboratorio. Una posibilidad es que nuestra medición de los rayos cósmicos de alta energía es de alguna manera equivocada. No se observa directamente los rayos cósmicos, pero en lugar observamos la lluvia de partículas que crean al golpear nuestra atmósfera. De esto se infiere su energía y su composición. Si bien esto es ciertamente una posibilidad, las observaciones que tenemos parecen bastante robusto.
Otra solución es que estos rayos cósmicos se producen localmente (en un sentido cósmico). La mayoría de los rayos cósmicos han viajado miles de millones de años luz antes de llegar a nosotros, pero si un rayo cósmico se produjo menos de 160 millones de años luz de distancia podría tener más energía que el límite GZK. El problema con esta idea es que no hay una fuente conocida de los rayos cósmicos de alta energía dentro de 160 millones de años luz, por lo que esta respuesta se limita a sustituir la paradoja GZK con el misterio de su origen. Otra posibilidad es que los rayos cósmicos más alto de energía podrían ser núcleos más pesados. Alrededor del 90% de los rayos cósmicos son protones, y otro 9% son partículas alfa (núcleos de helio), con el resto en su mayoría electrones. Es posible que algunos rayos cósmicos son núcleos de elementos más pesados tales como carbono, nitrógeno, o incluso de hierro. Tales núcleos pesados podrían ser capaces de sostener su energía a grandes distancias cósmicas, superando así el límite GZK.
Sin embargo, otra opción es quizás la más tentadora. Dado que estos rayos cósmicos tienen más energía que cualquier cosa que podamos crear en el laboratorio, son una prueba de la realidad física de partículas de alta energía. Es posible que el límite GZK es simplemente no válida. Se basa en nuestro conocimiento actual del modelo estándar, y si el modelo estándar está mal por lo que pude el límite GZK. La respuesta a la paradoja GZK podría ser una nueva física que aún no entendemos.
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