Rayos Gamma

La luz, en general, goza de una naturaleza dual: onda-partícula. Esto quiere decir que bajo ciertas circunstancias, la luz se puede comportar como onda con características como la reflexión, pero bajo otras condiciones se comporta como partícula. Su energía es lo que determina la naturaleza predominante: mientras más energía tiene más tiende a empaquetarse en lo que llamamos fotones, las partículas que forma la luz. Si la energía contenida en un fotón de luz visible fuera equivalente a una gota de agua. La energía de un fotón de rayo gamma de muy alta energía sería equivalente al lago de Chapultepec. Si un fotón visible se compara en energía y tamaño con la cantidad de información almacenada en un disco flexible de 3.5 pulgadas, entonces un fotón de rayo gamma de muy alta energía sería un disco del tamaño de un átomo con un almacenamiento de 3,600Tbytes.

La mayoría del universo que observamos en otras frecuencias está dominado por procesos térmicos con temperaturas características. Por ejemplo, para radiar fotones visibles se requiere de un sistema con temperaturas de aproximadamente 6,000 grados, como la temperatura de nuestro Sol. Pero para obtener fotones de rayos gamma de muy alta energía se requiere de una temperatura 10,000 veces mayor a la temperatura del plasma de quark y gluones que era el estado del universo a 10 microsegundos de su creación en el Big Bang. Por ello es que es imposible tener rayos gamma de alta y muy alta energía a partir de procesos térmicos.

Los fotones no tienen carga eléctrica por lo que no se les puede acelerar con campos eléctricos o magnéticos. Entonces, ¿cómo se produce luz de tanta energía? Por procesos no-térmicos en los que una partícula cargada con miles o millones de veces más energía radia rayos gamma ante la presencia de campos eléctricos y magnéticos o por procesos de aniquilación de partículas y anti-partículas pesadas como aquellas que conforman la materia oscura o por reacciones nucleares en las que participan rayos cósmicos de ultra alta energía.

Otra consecuencia de la falta de carga eléctrica de los rayos gamma es que su interacción con la materia es debida únicamente a su naturaleza corpuscular, por lo que su detección requiere de grandes cantidades de materia, ya sea con grandes volúmenes o con materiales muy densos.

Todas estas propiedades son lo que hace que en la astrofísica de rayos gamma sea un reto el detectar esa radiación.

Detección de Rayos Gamma

Como se mencionó anteriormente, por la naturaleza corpuscular de los rayos gamma es imposible usar antenas o espejos para su detección. Por otro lado, la mayoría de las técnicas de detección de partículas aprovechan su interacción con la materia debido a su carga. En el caso de los rayos gamma su detección no puede ser de forma directa. Su interacción con la materia más probable o frecuente es la creación de un par de partículas de materia y anti-materia: un electrón y un positrón (electrón de carga positiva) cuando siente los campos eléctricos de la materia. Es este par electrón-positrón el que permite la detección indirecta de rayos gamma.

En el caso de los rayos gamma de más baja energía que son detectados por observatorios situados en satélites, la creación del par es inducido en un arreglo de laminas de material muy pesado. Después el par es absorbido en un calorímetro para determinar la energía de cada una de las partículas ,y por lo tanto la energía del fotón original. El peso del material usado en un satélite es de algunas toneladas solamente, lo que limita la energía máxima de los rayos gamma observables.

En el caso de los rayos gamma de alta y muy alta energía, la creación del par se da en lo alto de la atmósfera, la cual a pesar de su baja densidad, debido a su gran extensión, representa aproximadamente una masa de 1,000 g/cm2, mientras que la penetración de un rayo gamma, hasta que interacciona es de 30 g/cm2. El par electrón-positrón creado viaja a través de la atmósfera radiando fotones de menor energía que la del fotón original y que producirán nuevos pares y así sucesivamente se irán multiplicando los pares y los fotones creando una cascada de partículas. El máximo número de partículas producidos en la cascada se da a una altitud de aproximadamente 10 km y su número dependerá de la energía del fotón original. Sólo una pequeña fracción de estas partículas llegarán a la superficie terrestre al nivel del mar, mientras que las demás serán absorbidas por la atmósfera.

Figura 2. Rayos gamma

En el vacío, la luz viaja más rápido que cualquier partícula, pero en un medio diferente, su velocidad disminuye dependiendo del índice de refracción del material. Así por ejemplo, en agua la luz viaja a una velocidad 25% menor que en el vacío. En esos casos, puede haber partículas que viajen más rápido que la luz en ese medio. Cuando esto sucede, al viajar las partículas por el medio se produce luz azul por el llamado efecto Cherenkov. Esta luz no se emite en todas direcciones, sino dentro de un cono cuya apertura depende del índice de refracción del medio. En el caso del agua esta apertura es de 45 grados y en el aire es de 1 grado. Este efecto es similar a la onda de choque que produce un avión supersónico.

Los observatorios de rayos gamma de alta y muy alta energía se dividen en dos tipos: los que observan la luz Cherenkov producida en la atmósfera por la cascada de partículas del fotón original y los que observan las partículas de la cascada directamente. Para observar estas partículas se pueden utilizar contenedores de agua detectando la luz Cherenkov que emiten. A los primeros se les llama detectores “de luz Cherenkov atmosférica” y a los segundos “arreglos de superficie” o “de luz Cherenkov en agua”. Cada técnica tiene sus pros y sus contras. Por ejemplo, los observatorios de luz Cherenkov atmosférica pueden llegar a determinar mejor la energía y dirección del fotón original y tienen mejor sensitividad, pero sólo pueden trabajar en noches sin luna. Los de luz Cherenkov en agua no tienen tan buena resolución en energía pero pueden ver todo el cielo sobre ellos y trabajar las 24 horas del día de tal forma que son excelentes para estudiar fuentes extensas como la Vía Láctea y fuentes transitorias como los Destellos de Rayos Gamma. Estos dos tipos de instrumentos son complementarios. HAWC es un observatorio de luz Cherenkov en agua.

Ambas técnicas tienen como ruido de fondo las cascadas de partículas originadas por rayos cósmicos cargados, principalmente protones, incidentes en la atmósfera que pueden ser miles de veces más frecuentes que los rayos gamma.