¿Has detectado alguna vez un rayo cósmico?

Imaginaos que estáis en un simple laboratorio de física atómica. No hace falta que sea algo parecido al CERN, sino que tan solo es necesario un simple detector de la luz como puede ser un fotomultiplicador o un espectrómetro. Vamos a suponer que tenemos esto último y que vuestro objetivo es realizar medidas sobre el fondo de radiación del laboratorio para poder restarlo al espectro obtenido anteriormente de un elemento químico determinado, en nuestro caso la plata. Como es de esperar, se obtiene como resultado de la medida del fondo un ruido aleatorio que no es más que las pequeñas oscilaciones de luminosidad que tienen lugar en el laboratorio y que el espectrómetro va detectando de una forma muy sencilla: contando la cantidad de fotones que inciden sobre él. Sin embargo, en una de las medidas aparece algo sorprendente que no debería estar ahí. ¿Qué será?

En la gráfica inferior podéis ver a qué me refiero.

El fondo de radiación que teníamos era de algo más de 1200 cuentas. No os asustéis con esto de las cuentas, no es más que una forma de calcular la intensidad que tiene una fuente a partir del número de fotones que detecta un sensor. Volviendo al tema, alrededor de los 552 nm se ve una línea casi 4 veces más intensa, que no tendría por qué estar ahí. ¿Qué es esto? Se que sois avispados y habéis leído el título de la entrada, así que ya sabréis la respuesta: se trata de un rayo cósmico. Pero esta respuesta no es más que el principio, y ahora es cuando nos surgen muchas más dudas. ¿Qué es un rayo cósmico? ¿Por qué está ahí? ¿De dónde ha salido? Estas y otras muchas cuestiones más son las que nos planteamos en su momento en el laboratorio, y las que ahora trataré de responderos y explicaros.

Un rayo cósmico no es más que un haz de partículas subatómicas (muones, fotones, neutrones, protones, etc) que vienen desde fuera de nuestro planeta y viaja a velocidades cercanas a las de la luz. Pueden provenir del confín más lejano del universo o del Sol, pero este último no es el culpable principal. Las mayores fuentes de rayos cósmicos son los objetos más energéticos del universo como las explosiones de supernova, que tienen lugar cuando una estrella colapsa sobre sí misma y explota; o los agujeros negros, ya que la materia que orbita a su alrededor está acelerada a grandes velocidades y en ocasiones pueden escapar formando chorros conocidos como jets.

Sea cual sea el origen de los rayos cósmicos, lo que se sabe es que estos llegan a la Tierra con mucha frecuencia, y nosotros en el laboratorio tuvimos la suerte de detectar uno. Os he dicho que los rayos cósmicos viajan a velocidades cercanas a la de la luz y por tanto son muy energéticos. Sin embargo, en la gráfica, el rayo cósmico está en unos tristes 552 nm, lo que vendría a ser algo similar a un rayo de luz verde. Un fotón verde no supone mucha energía si lo comparamos, por ejemplo, con un muón que es la partícula principal del rayo cósmico que llega a la superficie. La energía de este último es muchos órdenes de magnitud superiores al del fotón verde, así que hay algo que choca: o está mal la gráfica, o no medimos un rayo cósmico. La explicación a esta aparente discrepancia es de lo más simple que os podáis imaginar.

El detector calibra el eje de las longitudes de onda de forma automática a partir del punto central que le hayas marcado, en este caso 550 nm. La matriz CCD de píxeles que sirve para detectar los fotones que inciden funciona cargándose eléctricamente (similar a como funciona un condensador). Cada vez que un fotón choca contra un píxel, éste le dice al programa que en la longitud de onda que le corresponde el número de cuentas ha aumentado en una unidad. En el caso del rayo cósmico, sus partículas cargadas chocaron contra el píxel que determinaba una longitud de onda cercana a los 552 nm y lo saturó repetidas veces debido a que son partículas que poseen carga eléctrica. Esto dio lugar al pico de intensidad tan grande que podemos ver en la gráfica.

Explicado de una forma más sencilla, por si no quedó del todo claro. El sensor está preparado para detectar fotones, que no tienen carga, de modo que si un muón que viaja como rayo cósmico y que tiene carga negativa impacta sobre el sensor, el número de cuentas que registra va a ser muy grande ya que el píxel se satura repetidas veces, sumando tantas cuentas como veces se sature.

Así pues, ahí tenéis la explicación y el motivo de que en el laboratorio, con un simple equipo para realizar una medida del espectro del átomo de plata hayamos detectado un rayo cósmico perdido. Un dato curioso que tiene que ver con la detección de estas partículas extraterrestres es que, según se cree, la gran mayoría de los cuelgues que tienen lugar en los equipos electrónicos como ordenadores, teléfonos móviles, etc, se producen debido a la interferencia causada por un rayo cósmico. Esto es algo lógico. Si puede saturar eléctricamente la medida de un píxel de nuestro sensor, un rayo cósmico no va a tener muchos problemas en cargar un condensador y/o provocar que en un sistema digital donde había un bit con valor 1 pase a haber uno con valor 0, o viceversa. Estos errores, aunque parezcan mínimos, pueden llegar a “marear” tanto al sistema electrónico que lo cuelga irremediablemente. Todos hemos sufrido alguna vez algo así y lo cierto es que es un gran inconveniente, pero hay que mirar el lado positivo: cuando te pase esto es que ¡¡has detectado un rayo cósmico!!

Saludos

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Sobre el Autor:

Físico de materiales, nacido en El Bierzo y adoptado en tierras asturianas y vascas durante su paso por la Universidad de Oviedo y la Universidad del País Vasco. [...]

25 Comentarios & 2 Trackbacks

  • Yo los he detectado con el telescopio. La cámara, en ese caso, es en blanco y negro, pero tiene resolución espacial, así que se ve como una pequeña raya blanca curva.

    Con una cámara normal también se puede. Estoy pensando en poner la mía con la tapa a ver si pillo alguno.

  • @Davidmh: Una forma interesante de detectarlos!! Tengo una pregunta, la cámara que usaste era una webcam??

  • No, una CCD astronómica. Concretamente, una SBIG ST-9E y el telescopio un LX-200 de 12″.

    Mola que me dejen la cúpula de la facultad. :]

  • @Davidmh: Joer, cómo mola. Vaya suerte que tienes…

  • @Wis_alien: “¿Has detectado alguna vez un rayo cósmico?”

    Sabes que sí. xD
    Un par de días antes detectamos un rayo cósmico en la longitud de onda de 506,35 nm, sólo que éste no llegaba a saturar la CCD (3109 cuentas).

    PD: ¿Medísteis en cuentas/segundo? ¡Que raro! nosotros lo hicimos en cuentas simplemente; total, luego sólo usas valores relativos.

  • @stonet: Ups, que fallo, se me coló ese “por segundo”. Son cuentas sin más. Gracias

  • Un rayo cósmico no es más que un haz de partículas subatómicas (muones, fotones, neutrones, protones, etc)

    Aqui he dejado de leer…

  • Pues podrías haber seguido leyendo, porque hay rayos cósmicos en X y en gamma, y un fotón es una partícula subatómica.

  • @Phyman: Ya te ha contestado perfectamente @Davidmh, así que no añadiré nada más

  • @Davidmh:

    Eres un crack

    @Wis_Alien:

    Pues me has dado una alegría, mi móvil, que es malillo, se me cuelga muchas veces, a partir de ahora voy pensar cada vez que se me cuelgue que tengo en mis manos un detector de rayos cósmicos lo que voy a fardar con mis amigos

    Muchas gracias por la entrada, como es habitual, siempre aprendo con ellas

  • @José Luis: Me alegro mucho de que te gustara la entrada

  • @José Luis: Lo sé.

  • Voy a hacer como José Luis, y voy a pensar que cada vez que se cuelga mi móvil es que detecta un rayo cósmico. Aunque entonces tal vez debería llevarlo al CERN :P.

    Muy buena entrada

  • @Fisilósofo: Hombre, si falla mucho, mucho para mí que igual no es de rayos cósmicos :mrgreen:

    Gracias

  • @Fisilósofo:

    Pues es una excusa estupenda para ir a al CERN, te copio la idea

  • Yo detecto muchos más rayos cósmicos cuando uso Windows.

  • las interferencias se hacen por campos electromagneticos no por rayos cosmicos que estupides por dios hay muchisimos rayos cosmicos y no afectan en nada a los sistemas porque al filtrarse los campos magneticos que pueden afectar a estos sistemas y al filtrar la estatica tambien se filtran estos rayos hace unos 3 años que me dedico a la robotica y de fisica se algo y muy poco devido a que no soy especialista en este campo pero te puedo decir que tu conclusion es errada los fotones y rayos cosmicos afectan solo los fototransistores las fibras opticas los fotodiodos y no los circuitos integrados por favor

  • @mati89:
    Los fotones son los portadores de la radiación electromagnética.

    Wis_Alien no habla de circuitos integrados, tan sólo de condensadores y píxeles que sí se pueden ver afectados cuando se cargan debido a radiaciones cósmicas.

    De hecho, creo recordar que en nuestro Aula de 1º de Física se rumoreaba que “se colgaban” los móviles a causa del laboratorio del piso superior. (A ver si Wis_Alien puede sacarme de dudas :?).

  • @mati89: Enhorabuena, has demostrado no saber nada de física, y lo que es peor: no haber entendido esta entrada. Los rayos cósmicos son principalmente partículas cargadas. Da igual los filtros para campos EM que pongas que estas partículas van a atravesarlos, y afectar a los circuitos integrados. Obviamente no todos, pues los rayos cósmicos no son tan frecuentes y no todos producen una interferencia, pero en ocasiones sí lo hacen.

    @stonet: Sí, lo recuerdo, y esa era la explicación, sí.

  • Una pregunta -probablemente estúpida- de un lego en la materia.
    Hace años leí en un foro -ni recuerdo cual – que era posible detectar rayos cósmicos simplemente cerrando los ojos, y que cuando uno golpeaba la retina se veía un centelleo.
    Mi pregunta a los entendidos es : ¿Puede ser esto cierto? ¿O es sólo otra prueba de lo mucho que miente la gente en los foros?

    Saludos

  • Y digo yo, ¿cómo es que un rayo cósmico que, según deduzco de los comentarios, no se ve afectado por ningún tipo de protección electromagnética, es capaz de generar perturbaciones en sistemas electrónicos?

    Algo que no puede ser perturbado, ¿cómo puede perturbar?

  • @Mephistro: En principio podría ser correcto. Si un rayo cósmico (principalmente un muón que está cargado) impacta en tu retina podría generar una pequeña descarga eléctrica suficiente como para hacer que se vea un pequeño destello. De todas formas, es algo bastante complicado, y no se si realmente podría pasar.

    @Qresta: Lo que pasa es que un rayo cósmico son principalmente partículas cargadas, de modo que no es un campo electromagnético. A lo único que un filtro electromagnético podría frenar es a los fotones. Los muones los superarían sin inmutarse. Y sí que puede ser perturbado, no se de donde has sacado que no pueda.

  • Y digo yo, si un rayo cósmico es una partícula cargada genera un campo eléctrico y si está en movimiento, general un campo magnético, luego campo electromagnético hay (no un campo sinusoidal al uso, pero hay).

    En otro orden de cosas, si el rayo cósmico tiene un efecto medible sobre algo, ya sea un CCD, una retina o lo que sea, ese rayo se verá, de alguna forma, afectado, si damos por hecho que no puede cambiar su masa ni su carga (suponiendo que tenga masa) deberá variar su longitud de onda o su velocidad, o de lo contrario, no podríamos medirlo. El rayo cósmico debe perder algo de energía en un fenómeno físico que sí podemos medir. ¿Estoy en lo cierto?

    Sigo elucubrando: De esta forma, si una retina o un CCD son capaces de perturbar a ese rayo cósmico, ¿no podríamos construir un filtro a base de CCD’s o de retinas (o de hormigón, o de plomo, etc) suficientemente robusto como para detener cualquier fracción arbitrariamente alta de la energía de los rayos cósmicos?

  • @Qresta: Efectivamente, una partícula cargada en movimiento genera un campo electromagnético, que puede ser filtrado, pero no va a filtrarse la partícula en sí, de modo que podría continuar su camino sin problemas.

    Respecto a todo lo demás estás en lo cierto. Para detectarse en el CCD o donde sea tiene que haber un intercambio de energía. En nuestro caso el rayo cósmico pasa a energía al chocar con el CCD y hacer que su carga eléctrica pase a alguno de los píxeles de su matriz.

    Y sí, se podría crear una especie de “escudo” a base de cualquiera de las cosas que has comentado, pero no son tan numerosos como para que sean un problema, y realmente los daños que pueden causar no son preocupantes como para tener que invertir en algo así.

  • @mati89: también has demostrado no saber nada de ortografía, ni del uso de puntos y comas, ni de tildes… con todos los respetos, mati89, me cuesta muchísimo creer que una persona medianamente culta y formada escriba así. Lo siento, pero llevo fatal lo del maltrato al castellano.

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