La física de astropartículas , también llamada astrofísica de partículas , es una rama de la física de partículas que estudia las partículas elementales de origen astronómico y su relación con la astrofísica y la cosmología . Es un campo de investigación relativamente nuevo que surge en la intersección de la física de partículas, la astronomía , la astrofísica, la física de detectores , la relatividad , la física del estado sólido y la cosmología. Motivado en parte por el descubrimiento de la oscilación de neutrinos , el campo ha experimentado un rápido desarrollo, tanto teórico como experimental, desde principios de la década de 2000. [1]
El campo de la física de astropartículas surgió de la astronomía óptica. Con el crecimiento de la tecnología de detectores llegó la astrofísica más madura, que involucraba múltiples subtemas de la física, como la mecánica , la electrodinámica , la termodinámica , la física del plasma , la física nuclear , la relatividad y la física de partículas . Los físicos de partículas consideraron necesaria la astrofísica debido a la dificultad para producir partículas con energía comparable a las que se encuentran en el espacio. Por ejemplo, el espectro de rayos cósmicos contiene partículas con energías tan altas como 10 20 eV , mientras que una colisión protón-protón en el Gran Colisionador de Hadrones ocurre con una energía de ~10 12 eV.
Se puede decir que el campo comenzó en 1910, cuando un físico alemán llamado Theodor Wulf midió la ionización en el aire, un indicador de radiación gamma, en la parte inferior y superior de la Torre Eiffel . Descubrió que había mucha más ionización en la parte superior de lo que se esperaría si solo se atribuyera esta radiación a fuentes terrestres. [2]
El físico austriaco Victor Francis Hess planteó la hipótesis de que parte de la ionización era causada por la radiación del cielo. Para defender esta hipótesis, Hess diseñó instrumentos capaces de operar a gran altura y realizó observaciones de la ionización hasta una altitud de 5,3 km. De 1911 a 1913, Hess realizó diez vuelos para medir meticulosamente los niveles de ionización. Según cálculos previos, no esperaba que se produjera ionización por encima de los 500 m de altitud si las fuentes terrestres fueran la única causa de la radiación. Sin embargo, sus mediciones revelaron que aunque los niveles de ionización inicialmente disminuyeron con la altitud, en algún momento comenzaron a aumentar bruscamente. En los picos de sus vuelos, descubrió que los niveles de ionización eran mucho mayores que en la superficie. Hess pudo concluir entonces que "una radiación con un poder de penetración muy alto penetra en nuestra atmósfera desde arriba". Además, uno de los vuelos de Hess tuvo lugar durante un eclipse de Sol casi total. Como no observó ninguna caída en los niveles de ionización, Hess razonó que la fuente tenía que estar más lejos en el espacio. Por este descubrimiento, Hess fue uno de los galardonados con el Premio Nobel de Física en 1936. En 1925, Robert Millikan confirmó los hallazgos de Hess y posteriormente acuñó el término " rayos cósmicos ". [3]
Muchos físicos conocedores de los orígenes del campo de la física de astropartículas prefieren atribuir este "descubrimiento" de los rayos cósmicos por parte de Hess como el punto de partida del campo. [4]
Si bien puede resultar difícil decidirse por una descripción estándar de "libro de texto" del campo de la física de astropartículas, el campo puede caracterizarse por los temas de investigación que se están llevando a cabo activamente. La revista Astroparticle Physics acepta artículos centrados en nuevos desarrollos en las siguientes áreas: [5]
Una tarea principal para el futuro del campo es simplemente definirse a fondo más allá de las definiciones prácticas y diferenciarse claramente de la astrofísica y otros temas relacionados. [4]
Los problemas actuales sin resolver para el campo de la física de astropartículas incluyen la caracterización de la materia y la energía oscuras . Las observaciones de las velocidades orbitales de las estrellas en la Vía Láctea y otras galaxias, comenzando con Walter Baade y Fritz Zwicky en la década de 1930, junto con las velocidades observadas de las galaxias en cúmulos galácticos, encontraron un movimiento que excedía con creces la densidad de energía de la materia visible necesaria para explicar su dinámica. Desde principios de los años noventa se han encontrado algunos candidatos que explican parcialmente parte de la materia oscura faltante, pero no son suficientes para ofrecer una explicación completa. El hallazgo de un universo en aceleración sugiere que una gran parte de la materia oscura faltante está almacenada como energía oscura en un vacío dinámico. [6]
Otra pregunta para los físicos de astropartículas es por qué hay hoy en día tanta más materia que antimateria en el universo. Bariogénesis es el término para los procesos hipotéticos que produjeron un número desigual de bariones y antibariones en el universo primitivo, razón por la cual el universo hoy está hecho de materia y no de antimateria. [6]
El rápido desarrollo de este campo ha llevado al diseño de nuevos tipos de infraestructura. En laboratorios subterráneos o con telescopios, antenas y experimentos satelitales especialmente diseñados, los físicos de astropartículas emplean nuevos métodos de detección para observar una amplia gama de partículas cósmicas, incluidos neutrinos, rayos gamma y rayos cósmicos en las energías más altas. También están buscando materia oscura y ondas gravitacionales . Los físicos de partículas experimentales están limitados por la tecnología de sus aceleradores terrestres, que sólo son capaces de producir una pequeña fracción de las energías que se encuentran en la naturaleza.
Las instalaciones, experimentos y laboratorios involucrados en la física de astropartículas incluyen:
