Física de astropartículas

La física de astropartículas , también llamada astrofísica de partículas , es una rama de la física de partículas que estudia las partículas elementales de origen astrofísico 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 . En parte motivado 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 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 encontraron necesaria la astrofísica debido a la dificultad de 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 , donde una colisión protón-protón en el Gran Colisionador de Hadrones ocurre a 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 esperaba si solo se atribuían fuentes terrestres para esta radiación. ^[2]

El físico austríaco Victor Francis Hess planteó la hipótesis de que parte de la ionización se debía a la radiación procedente del cielo. Para defender esta hipótesis, Hess diseñó instrumentos capaces de funcionar a grandes altitudes y realizó observaciones sobre la ionización hasta una altitud de 5,3 km. Entre 1911 y 1913, Hess realizó diez vuelos para medir meticulosamente los niveles de ionización. A partir de cálculos previos, no esperaba que hubiera ionización por encima de una altitud de 500 m si las fuentes terrestres eran la única causa de la radiación. Sin embargo, sus mediciones revelaron que, aunque los niveles de ionización disminuyeron inicialmente con la altitud, comenzaron a aumentar bruscamente en algún momento. En los picos de sus vuelos, descubrió que los niveles de ionización eran mucho mayores que en la superficie. Hess pudo entonces concluir que "una radiación de muy alto poder de penetración entra en nuestra atmósfera desde arriba". Además, uno de los vuelos de Hess se realizó durante un eclipse solar casi total. Como no observó una caída en los niveles de ionización, Hess dedujo que la fuente tenía que estar más lejos en el espacio. Por este descubrimiento, Hess fue una de las personas galardonadas 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 decidir 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 desarrollando activamente. La revista Astroparticle Physics acepta artículos que se centren en nuevos desarrollos en las siguientes áreas: ^[5]

• Física y astrofísica de rayos cósmicos de alta energía ;
• Cosmología de partículas;
• Astrofísica de partículas;
• Astrofísica relacionada: supernova , núcleos galácticos activos , abundancias cósmicas, materia oscura , etc.
• Astronomía de rayos gamma de alta energía, VHE y UHE;
• Astronomía de neutrinos de alta y baja energía;
• Desarrollos de instrumentación y detectores relacionados con los campos antes mencionados.

Una de las principales tareas para el futuro de este campo es simplemente definirse completamente más allá de las definiciones de trabajo y diferenciarse claramente de la astrofísica y otros temas relacionados. ^[4]

Los problemas actuales sin resolver en el campo de la física de astropartículas incluyen la caracterización de la materia oscura y la energía oscura . Las observaciones de las velocidades orbitales de las estrellas en la Vía Láctea y otras galaxias, que comenzaron con Walter Baade y Fritz Zwicky en la década de 1930, junto con las velocidades observadas de las galaxias en los 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 para explicar 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 se almacena como energía oscura en un vacío dinámico. ^[6]

Otra pregunta que se plantean los físicos de astropartículas es por qué hay tanta más materia que antimateria en el universo actual. La bariogénesis es el término que designa los procesos hipotéticos que produjeron la cantidad desigual de bariones y antibariones en el universo primitivo, razón por la cual el universo actual 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 a las energías más altas. También buscan materia oscura y ondas gravitacionales . Los físicos de partículas experimentales están limitados por la tecnología de sus aceleradores terrestres, que solo pueden producir una pequeña fracción de las energías que se encuentran en la naturaleza.

La siguiente es una lista incompleta de laboratorios y experimentos en física de astropartículas.

Estas instalaciones están situadas a gran profundidad bajo tierra para proteger experimentos muy sensibles de los rayos cósmicos que de otro modo impedirían la observación de fenómenos muy raros.

• El Laboratorio Subterráneo Jinping de China es un laboratorio subterráneo profundo en las montañas Jinping de Sichuan , China.
• El Observatorio Kamioka es un laboratorio de neutrinos y ondas gravitacionales ubicado bajo tierra en la mina Mozumi, cerca de la sección Kamioka de la ciudad de Hida, en la prefectura de Gifu, Japón. Es el sitio donde se lleva a cabo el experimento Super-Kamiokande .
• El Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) es un laboratorio que alberga experimentos que requieren un ambiente de baja emisión de ruido. Sus salas experimentales están ubicadas en la montaña del Gran Sasso , cerca de L'Aquila (Italia).
• SNOLAB está ubicado a 2 km bajo tierra en una mina activa, en el Gran Sudbury (Canadá). Ampliado a partir del Observatorio de Neutrinos de Sudbury original , todo el laboratorio subterráneo funciona como una sala limpia , que alberga experimentos de física de neutrinos y búsquedas de materia oscura.
• La Instalación de Investigación Subterránea de Sanford (SURF), ubicada en Lead, Dakota del Sur, alberga múltiples experimentos y está financiada en parte por el Departamento de Energía de los Estados Unidos .

Se requieren detectores de neutrinos muy grandes para registrar las interacciones extremadamente raras de los neutrinos con la materia atómica.

• IceCube ( Antártida ). El detector de partículas más grande del mundo, se completó en diciembre de 2010. El propósito del detector es investigar neutrinos de alta energía, buscar materia oscura, observar explosiones de supernovas y buscar partículas exóticas como monopolos magnéticos. ^[7]
• ANTARES ( Toulon , Francia ). Detector de neutrinos a 2,5 km bajo el mar Mediterráneo, frente a la costa de Toulon, Francia. Diseñado para localizar y observar el flujo de neutrinos en dirección al hemisferio sur.
• Proyecto NESTOR ( Pilos , Grecia ). El objetivo de esta colaboración internacional es el despliegue de un telescopio de neutrinos en el fondo marino de Pilos, Grecia.
• BOREXINO , un detector en tiempo real, instalado en LNGS , diseñado para detectar neutrinos del Sol con un objetivo de centelleo líquido orgánico . ^[8]

Los experimentos están dedicados a la detección directa de interacciones de materia oscura con el material objetivo del detector.

• El experimento LZ es un experimento de detección directa de materia oscura que pretende observar la dispersión de partículas masivas de interacción débil (WIMP) en los núcleos de xenón. El experimento está ubicado en el Centro de Investigación Subterránea de Sanford (SURF) en Dakota del Sur y está administrado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los Estados Unidos .
• XENONnT, la actualización de XENON1T , es un experimento de búsqueda directa de materia oscura ubicado en LNGS y se espera que sea sensible a WIMP con una sección transversal independiente del espín de 10 ⁻⁴⁸  cm ² .
• La Global Argon Dark Matter Collaboration opera una serie de experimentos con argón líquido: DarkSide-50 en LNGS , DEAP-3600 en SNOLAB y el próximo detector DarkSide-20k en LNGS . Estos experimentos buscan WIMP y candidatos a partículas de materia oscura más pesadas.
• La búsqueda de materia oscura criogénica (CDMS) es una serie de experimentos que buscan interacciones de WIMP con detectores de semiconductores a temperaturas de milikelvin .
• El telescopio solar Axion del CERN (CERN, Suiza) busca axiones que se originan en el Sol.

Los interesados ​​en la detección de rayos cósmicos de alta energía son:

• El Observatorio Pierre Auger ( Malargüe , Argentina ) detecta e investiga los rayos cósmicos de alta energía utilizando dos técnicas. Una es estudiar las interacciones de las partículas con el agua colocada en tanques detectores de superficie. La otra técnica es rastrear el desarrollo de las lluvias de rayos en el aire a través de la observación de la luz ultravioleta emitida en lo alto de la atmósfera terrestre. ^[9]
• Proyecto Telescope Array ( Delta, Utah ), un experimento para la detección de rayos cósmicos de energía ultra alta (UHECRs) utilizando un conjunto terrestre y técnicas de fluorescencia en el desierto del oeste de Utah.

• Física de astropartículas (revista)
• Proceso de Urca
• Problemas sin resolver en física

• Perkins, DH (2009). Astrofísica de partículas (2.ª ed.). Oxford University Press . ISBN 978-0-19-954546-9.

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