Rayos Cosmicos

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RAYOS COSMICOS 
Por Itszel Andrea Ponce Proaño 
 
 
3 DE DICIEMBRE DE 2021 
UNIVERSIDAD DE SONORA 
Proyecto final de Astrofísica ll 
Prof. Lorenzo Olguin Ruiz 
 
 Introducción 
Los rayos cósmicos son partículas que llegan del espacio y bombardean continuamente la tierra desde todas 
las direcciones. La mayoría de estas partículas son protones o núcleos atómicos. Algunas de ellas son más 
dinámicas que cualquier otra partícula observada en la naturaleza. Los rayos cósmicos de ultra alta energía 
viajan a una velocidad cercana a la de la luz, y su energía es cientos de millones de veces mayor que la de 
las partículas producidas en el acelerador más poderoso construido por la humanidad. 
Los astrofísicos de plasma revisaron los últimos desarrollos en el campo de la inestabilidad actual causada 
por los rayos cósmicos. La influencia de los rayos cósmicos en la dinámica de la Vía Láctea y el período 
de formación estelar puede ser más que conocida hasta ahora. sugieren que los rayos cósmicos pueden ser 
la clave para comprender la dinámica de las galaxias. 
Estas partículas son relativistas, según la definición de la relatividad especial de Albert Einstein, y 
consiguen generar un campo magnético que controla su movimiento dentro de la galaxia. 
El gas del medio interestelar está compuesto por átomos, en su mayoría de hidrógeno, y en su mayoría 
ionizados, lo que significa que sus protones y electrones están separados. Mientras se mueven dentro de 
este gas, los rayos cósmicos ponen en marcha los protones de fondo, lo que provoca un movimiento 
colectivo de ondas de plasma similar a las ondas de un lago cuando se tira una piedra. 
La gran pregunta es cómo los rayos cósmicos depositan su impulso en el plasma de fondo que compone el 
medio interestelar. Los astrofísicos del plasma de Francia han revisado los recientes avances en el campo 
del estudio de la inestabilidad de la corriente desencadenada por los rayos cósmicos dentro del plasma 
astrofísico y espacial. 
Considerando su gran impacto para la astrofísica abordaremos en entre trabajo una introducción de los 
rayos cósmicos y los detectores de Cherenkov para su detección y posterior estudio 
 
 
 
Desarrollo 
Astrofísica y rayos gamma 
Con el avance de la tecnología, se está produciendo una verdadera revolución en el mundo teórico de la 
física, que es la base para comprender y explicar los procesos que ocurren en las estrellas y producir las 
cosas que observamos. 
La luz no es más que una onda 
electromagnética: una 
interferencia de campos 
eléctricos y magnéticos que se 
propagan en el espacio. Los 
diferentes colores de luz 
reflejan la energía transportada 
por estas ondas; cuanto más 
azul es la luz, más vibrante es. 
Además, más allá del rango 
visual entre rojo y violeta, hay 
más o menos ondas de energía que el ojo humano no puede percibir. Por ejemplo, las ondas de radio y los 
rayos infrarrojos son ondas electromagnéticas con menor energía que la luz visible, mientras que los rayos 
ultravioletas, los rayos X y los rayos gamma son ondas con mayor energía. 
Es factible pensar que los astros envíen también luz de todas estas otras energías, la mayoría de estas son 
absorbidas por la atmósfera y no llegan a la superficie terrestre. Sólo la luz visible y ciertas ondas de radio 
lo hacen sin problemas. 
En la actualidad, la astronomía de luz visible es solo una rama de la astronomía observacional. Cada rama 
de la astronomía observacional tiene sus técnicas específicas de detección. Las ondas de radio se detectan 
con enormes antenas, para los rayos X se utilizan telescopios espaciales, y los rayos gamma son detectados 
tanto desde el espacio como desde la Tierra, mediante un método indirecto como los detectores de 
Cherenkov. 
Por lo tanto, es deseable y en ocasiones inevitable combinar todas estas observaciones para comprender 
mejor los fenómenos cósmicos. A esto se le llama "observación multifrecuencia". 
Ilustración 1Coluccio L.E. (2021), Espectro Electromagnetico, Fuente: 
https://concepto.de/espectro-electromagnetico/ 
https://concepto.de/espectro-electromagnetico/
Rayos cósmicos 
Entre 1911 y 1913, el físico Victor Hess descubrió partículas ionizadas del espacio exterior: rayos cósmicos. 
Son protones, electrones y núcleos atómicos de altísima energía, que nos llegan desde todas las direcciones 
del cielo. Desde 1940, se ha podido determinar que algunas de estas partículas se produjeron en erupciones 
periódicas del sol. La gran mayoría de los rayos cósmicos que llegan a la tierra no nos dan ningún signo de 
origen; como partículas cargadas, sentirán la influencia del campo magnético existente en todo el universo, 
y su dirección se está dirigiendo. hacia la tierra, cambios caóticos ocurrirán en el camino. En los últimos 
años las personas han realizado grandes esfuerzos para determinar el origen de los rayos cósmicos más 
energéticos del universo, y se ha determinado que tienen un origen extra galáctico, es decir, provienen de 
otras galaxias. 
Detector Cherenkov de agua 
El detector de agua Cherenkov es un dispositivo que utiliza el principio de radiación de Cherenkov para 
detectar rastros de partículas secundarias generadas en EAS. Estas partículas pasan por un tanque de agua 
pura, usando un fotomultiplicador para amplificar la señal. La señal generada por el efecto Cherenkov y el 
equipo electrónico utilizado para adquirir y digitalizar la señal. El WCD se compone de dos elementos 
principales: el tanque detector y la electrónica. 
Radiación Cherenkov 
Es un tipo de radiación electromagnética producida por partículas cargadas que atraviesan un medio dado 
a una velocidad mayor que la velocidad de la fase luminosa en el medio. La velocidad de la luz depende 
del medio y alcanza su valor máximo en el vacío. La velocidad de la luz en el vacío no se puede exceder, 
pero se puede exceder en un medio donde la velocidad de la luz es necesariamente menor. La radiación 
lleva el nombre del físico ruso Pavel Cherenkov. Sólo se produce si la partícula que atraviesa el medio está 
cargada eléctricamente, como, por ejemplo, un protón. Para que se produzca radiación Cherenkov el medio 
debe ser un dieléctrico. Es decir; debe estar formado por átomos o moléculas capaces de verse afectados 
por un campo eléctrico. Por tanto, un protón viajando a través de un medio hecho de neutrones, por ejemplo, 
no emitiría radiación Cherenkov. 
Los rayos cósmicos, compuestos principalmente de partículas cargadas, producen otras partículas al 
impactar (interactuar) átomos y moléculas en la atmósfera terrestre (medio ambiente), produciendo más 
partículas, y estas partículas producen más, formando una cascada de partículas reales (muchas de ellas son 
vivas). Cada una de estas partículas polarizará asimétricamente las moléculas de nitrógeno y oxígeno (los 
principales componentes de la atmósfera terrestre) que encuentre en su camino. Estas moléculas se 
despolarizarán espontáneamente y emitirán radiación de Cherenkov (usando un corte detectado por el 
telescopio Lenkov). En otras palabras, son las moléculas (dieléctricos) en la atmósfera las que emiten 
radiación, no las partículas incidentes. 
La velocidad crítica para que una partícula cargada genere radiación de Cherenkov puede ser a partir de un 
análisis geométrico, tomando el campo dipolar inducido, como un frente de onda que puede reconstruirse 
a partir del principio de Huygens. De esta forma, para que el frente de onda genere radiación, se emite un 
fotón en un determinado punto, debe pasar el mismo tiempo viajando una distancia r que se necesitaría para 
la partícula cargada para viajar una distancia s. Por lo tanto, estos dos fotones se emiten con la misma fase. 
cos 𝛼𝑐 =
1
𝛽√∈ (𝜔)
 
Donde cos 𝛼𝑐 es el ángulo crítico con el que se emiten los fotones, 𝛽 es la razón entre la velocidad de la 
partícula y la de la luz (
𝑉𝑝
𝑐⁄ ), ∈ (𝜔) es la constante dieléctrica del medioy 𝜔 es la frecuencia de oscilación 
del campo dipolar inducido; de la expresión se establecen dos límites, o condiciones, para que una partícula 
cargada produzca radiación Cherenkov en función de su velocidad, 
𝛽𝑚𝑖𝑛 =
1
√∈ (𝜔)
 
y, 
𝛽𝑚𝑖𝑛 = 1 
La energía de una partícula se puede expresar de la forma 
𝐸 = 𝑚0𝑐
2√1 −
1
1 − 𝛽2
 
donde 𝑚0es la masa en reposo de la partícula. Esto quiere decir que la energía crítica para que se produzca 
radiación Cherenkov (𝐸𝑐) es de la forma 
𝐸𝑐 = 𝑚0𝑐
2
𝑛
𝑛2 − 1
 
Para un muon, que atraviesa un volumen de agua (𝑛 = 1,33), la 𝐸𝑐 será de 153 MeV, y el ángulo de máxima 
emisión (𝛼𝑐,𝑚𝑎𝑥) de 41.4◦ . El número de fotones 𝑁𝛾 que se emiten por unidad de distancia e intervalo de 
energía es 
𝑑2𝑁𝛾
𝑑𝑥𝑑𝐸
=
𝛼𝑧2
ℏ𝑐
sin 2 𝜃𝑐 (𝐸) ≈ 370 sin
2 𝜃𝑐(𝐸)𝑒𝑉
−1𝑐𝑚−1 , (𝑧 = 1) 
Para muones, con energías del orden de GeV, pueden llegar a emitir del orden de 105 fotones, para energías 
en el UV. 
Tanque detector 
es un recipiente cilíndrico hecho en fibra de vidrio, con una altura de 200 cm y un diámetro de 60 cm. Es 
capaz de contener agua y se encuentra sellado a radiación solar del espectro visible (aislante fotónico). El 
TD, está forrado en su interior con un material altamente difusivo (difusor interno), que permite a los 
fotones propagarse y rebotar dentro del tanque hasta llegar al fotomultiplicador. La figura 4.5 muestra el 
esquema general del TD. 
• Difusor Interno 
Material sintético hecho de fibras de polietileno de alta densidad que garantiza un alto porcentaje de difusión 
y reflectividad de los fotones al interior del TD. Se ubica dentro del tanque en contacto directo con el agua 
y sujeto a las paredes con un armazón de tiras plásticas. El material, o tyvek, que se usa es DuPont Tyvek 
R BL-25. 
• Aislante Fotónico 
Material hecho en polietileno de alta 
densidad con un grosor de 500 
micras, ubicado dentro y fuera del 
TD, entre el difusor interno y las 
paredes del tanque, evitando la 
filtración de radiación, 
principalmente en el espectro visible. 
Guane-1 tiene 8 capas en el interior y 
15 en el exterior. 
• Agua 
El agua que se usa en los WCD es uno de 
los componentes más importantes para estos dispositivos, ya que de ésta depende la resolución del detector. 
La forma en que se mide la calidad del agua es en términos del coeficiente de absorción, medido en la 
región de máxima sensibilidad del fotomultiplicador. un coeficiente de absorción bajo permite que gran 
parte de los fotones que se generen en el TD por efecto Cherenkov puedan llegar al fotomultiplicador. 
• Fotomultiplicador 
El Fotomultiplicador, o PMT, es un dispositivo de alta sensibilidad espectral que usa el principio 
fotoeléctrico para generar un flujo de corriente, en función de un número de fotones incidentes. 
Conclusión 
Hasta ahora, los rayos cósmicos se han considerado algo remotos dentro de la "ecología" de las galaxias. 
Pero dado que la inestabilidad alrededor de las fuentes de radiación cósmica, como los remanentes de 
supernovas y los púlsares, funciona bien y es más fuerte de lo esperado, es probable que estas partículas 
tengan un impacto mucho mayor en la dinámica galáctica y el ciclo de formación de estrellas. 
 Se sabe que las ondas de choque de las supernovas que expanden el medio interestelar / intergaláctico 
"aceleran los rayos cósmicos y, a medida que se alejan, pueden haber ayudado a crear los núcleos del campo 
magnético necesarios para explicar las intensidades reales del campo magnético que observamos. 
Ilustración 2 Suarez M.(2011)Esquema de un detector Cherenkov de agua. Fuente 
pagina 36 
https://d1wqtxts1xzle7.cloudfront.net/35862038/Tesis_MSuarez_Detector_Rayos_Cosmicos-with-cover-page-v2.pdf?Expires=1638350812&Signature=EHqJEd-L7OsrK~TRPWAoRnvl89yiB3RrrQi17NoUOt4bEL1xDRNxy9EtlcAIK3ESNcnlCW74s~pp7TZ7nniW6xrIebBzI94iKiOAcPf0nnforUhOAXx5ukq5hjxCnwNxMwoGll-T~XqBDgY75CmZSB8rHx912-JBPL3OfE9rahMSLhN9cUkXBzyMtx8rqu9sH2YVFRPkGwV~N-Gh88qj8k9zq2v-eC9o7uVLHuBkgAOzpOBzlM690SkBhO-AWBEHvCGjSrp9dwm01olgf2GANVKMvOqSqWzllTIlhoc5e0q5Cz00nUhpwkXMyWpucC9B0dEANuVEcHOjQJ0sCg6mGA__&Key-Pair-Id=APKAJLOHF5GGSLRBV4ZA
Hay varias áreas de investigación en astrofísica que utilizan técnicas numéricas similares para estudiar los 
efectos de esta inestabilidad del flujo en varios contextos astrofísicos, como los restos de supernovas y los 
chorros. Esta inestabilidad y la turbulencia resultante pueden ser la fuente de muchos fenómenos 
astrofísicos y mostrar cómo los rayos cósmicos juegan un papel en el gran circo de nuestra galaxia, la Vía 
Láctea. 
Referencias 
Durán, M. S. (2011). Instalación de un detector Cherenkov de agua para la detección de trazas de rayos 
cósmicos a 956 metros sobre el nivel del mar. (link) 
Orellana, M. (2011). Rayos gamma y rayos cósmicos: los mensajeros de un Universo violento. Boletín 
Radio@ stronómico, 9. (link) 
Gutiérrez, E. M. (2012). La astronomía mas allá de la luz. Boletín Radio@ stronómico, 15 (link) 
Ciencia Plus (2021). Los rayos cósmicos, posible clave para entender la dinámica galáctica. (link) 
 
https://d1wqtxts1xzle7.cloudfront.net/35862038/Tesis_MSuarez_Detector_Rayos_Cosmicos-with-cover-page-v2.pdf?Expires=1638350812&Signature=EHqJEd-L7OsrK~TRPWAoRnvl89yiB3RrrQi17NoUOt4bEL1xDRNxy9EtlcAIK3ESNcnlCW74s~pp7TZ7nniW6xrIebBzI94iKiOAcPf0nnforUhOAXx5ukq5hjxCnwNxMwoGll-T~XqBDgY75CmZSB8rHx912-JBPL3OfE9rahMSLhN9cUkXBzyMtx8rqu9sH2YVFRPkGwV~N-Gh88qj8k9zq2v-eC9o7uVLHuBkgAOzpOBzlM690SkBhO-AWBEHvCGjSrp9dwm01olgf2GANVKMvOqSqWzllTIlhoc5e0q5Cz00nUhpwkXMyWpucC9B0dEANuVEcHOjQJ0sCg6mGA__&Key-Pair-Id=APKAJLOHF5GGSLRBV4ZA
https://digital.cic.gba.gob.ar/handle/11746/5335
https://www.iar.unlp.edu.ar/boletin/la-astronomia-mas-alla-de-la-luz/
https://www.europapress.es/ciencia/astronomia/noticia-rayos-cosmicos-posible-clave-entender-dinamica-galactica-20210824170502.html