Bombardean la Tierra protones y núcleos de hierro que provienen de fuera de nuestra galaxia. Producen rayos cósmicos cuando chocan con las moléculas del aire de nuestra atmósfera. El Observatorio Pierre Auger en Argentina ha observado 411 muones con energías entre 6 y 16 EeV (entre 110 y 170 TeV c.m.), un número mayor de los predichos por los modelos teóricos. En concreto, 1,33 ± 0,16 veces más que los predichos por el modelo teórico EPOS-LHC, o unos 1,61 ± 0,21 veces más que los predichos por el modelo QGSJetII-04. Nadie conoce la razón. Quizás fallan los modelos teóricos. Quizás hay nuevas partículas ultraenergéticas aún por descubrir. Un misterio más para la astrofísica de partículas.

El artículo es Pierre Auger Collaboration, «Testing Hadronic Interactions at Ultrahigh Energies with Air Showers Measured by the Pierre Auger Observatory,» Phys. Rev. Lett. 117: 192001 (31 Oct 2016), doi: 10.1103/PhysRevLett.117.192001, arXiv:1610.08509 [hep-ex]. Más información divulgativa sobre los misterio de los muones UHECR en Thomas Gaisser, «Cosmic-Ray Showers Reveal Muon Mystery,» Physics 9: 125 (31 Oct 2016).

 

Los rayos cósmicos son partículas relativistas (la mayoría protones y núcleos ligeros) que se producen en supernovas y otros fenómenos violentos más allá de nuestra galaxia. Cuando chocan con las moléculas del aire de nuestra atmósfera se produce una cascada de partículas secundarias. En estos choques se producen chorros de hadrones, sobre todo piones, protones y neutrones. Los piones neutros se desintegran en pares de fotones que producen chorros leptónicos, con electrones, positrones y muones. La gran diferencia entre los chorros hadrónicos y los leptónicos es que en los primeros se detectan muones de alta energía que alcanzan la superficie de la Tierra con ángulos próximos a la vertical.

El Observatorio Pierre Auger está formado por 1660 tanques de agua rodeados de detectores de la radiación de Cherenkov producida por los muones, electrones y positrones. Distribuidos sobre unos 3000 kilómetros cuadrados de superficie detectan algunos miles de rayos cósmicos al año. Los más interesantes son los eventos ultraenergéticos, en la escala de los EeV (exaelectrónvoltios). Para separar los sucesos hadrónicos (se observan muones) de los leptónicos (se observan electrones y positrones) se usa el ángulo de incidencia. Los muones llegan con ángulos superiores a 37 grados respecto a la vertical (solo se registran sucesos entre 0 y 60 grados por el diseño de los detectores). Al separar ambas contribuciones se han detectado 411 sucesos ultraenergéticos debidos a muones durante los nueve años de toma de datos.

El misterio de los muones en los rayos cósmicos se ilustra con la siguiente gráfica. Se han observado entre un 30% y un 60% más muones de los predichos por los modelos teóricos (el valor concreto depende del modelo teórico). El misterio no es nuevo, el detector HiRes-MIA de la Universidad de Utahya ya lo observó en el año 2000. Pero la mayor estadística de Pierre Auger hace que este misterio sea mucho más relevante. Todos deseamos que se desvele el misterio antes de que empiece la toma de datos del futuro observatorio AugerPrime (más información en The Pierre Auger Collaboration, «The Pierre Auger Observatory Upgrade – Preliminary Design Report,» arXiv:1604.03637 [astro-ph.IM]).

¿Nueva física? Quizás. ¿Hay que mejorar los modelos teóricos? Con toda seguridad. El misterio de los muones UHECR promete ser apasionante.