Cooperación de núcleos para producir una única partícula

El experimento ANITA voló a bordo de un globo sobre Antártica en 2006 buscando pulsos de ondas de radio generados por neutrinos de energía ultra-alta impactando en el hielo. Nuevos cálculos demuestran que más energía de los neutrones podría pasar a los mesones en lugar de a los fotones, a veces en reacciones que implica muchos núcleos de hielo simultáneamente. La sensibilidad de ANITA a los neutrinos podría ser por tanto menos de la esperada.

Cuando un fotón energético impacta en la materia, puede crear una partícula masiva, el mesón rho, cuando golpea un núcleo atómico. Un informe en el ejemplar del 7 de agosto de la revista Physical Review Letters demuestra que tal fotón también puede producir la partícula en una interacción que implica muchos núcleos simultáneamente. La conocida como producción coherente aumenta en importancia cuando la energía del fotón se incrementa y debe ser tenida en cuanta en análisis de datos de las partículas de mayor energía del espacio, incluyendo los rayos cósmicos y los neutrinos.

Para saber más sobre los rayos cósmicos de mayor energía y los neutrinos – algunos con energías de 1020 electrón-voltios (eV) o más – los astrofísicos quieren comprender los fotones de energía ultra-alta y otras partículas creadas cuado las partículas cósmicas impactar en nuestra atmósfera o en el hielo antártico. Un fotón de alta energía viene acompañado por una nube de pares quark-antiquark virtuales, los cuales constantemente entran y salen de la existencia. Uno de estos pares, rebotando en un núcleo, puede transformarse en un mesón rho neutro, el cual pasa a crear más mesones, ya sea decayendo o impactando en otros núcleos. El resultado es una lluvia de partículas que contienen quarks, o hadrónicas”, en lugar e electrones, positrones y fotones producidas en las lluvias más comunes conocidas como electromagnéticas.

La creencia convencional desde hace mucho tiempo ha sido que los fotones producen lluvias hadrónicas mucho más raramente que electromagnéticas. Pero en 2002 John Ralston de la Universidad de Kansas en Lawrence y sus colegas publicaron un artículo en el servidor de Arxiv defendiendo que para las energías ultra-altas de los fotones, no podían ignorarse las lluvias hadrónicas[1].

Ahora Elsa Couderc del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) en California y la École Normale Supérieure en París y Spencer Klein del LBNL y la Universidad de California en Berkeley, han establecido firmemente la importancia de la lluvia hadrónica y descubrieron una nueva contribución a la misma. Estiman la probabilidad de la producción rho para un fotón que impacta en distintas formas de materia: agua, roca y plomo. Existen muchas incertidumbres en sus cálculos, pero las respuestas son aproximadamente las mismas en los tres casos. Los fotones con energías superiores a 1020 eV, según encontraron, pierden más energía a través de la producción rho lo que lleva a lluvias hadrónicas más a que a electromagnéticas.

También describen un fenómeno anteriormente no señalada que da un impulso adicional a la producción del mesón rho. Para un fotón con una energía muy superior a la masa del rho de 780 millones de electrón-voltios (MeV), el rho tendrá tanta energía que esta masa es despreciable. Con una masa insignificante comparada con esta energía, el rho es como un fotón sin masa, y la diferencia de momento entre el fotón inicial y el rho generado es muy pequeña. El principio de incertidumbre nos dice que un pequeño cambio en el momento sólo puede tener lugar en un gran volumen de espacio.

Para un fotón con una energía de aproximadamente 3 x 1014 eV, la conocida como longitud de coherencia de la reacción de partículas es 0,2 nanómetros, la separación típica entre núcleos sólidos o líquidos. En otras palabras, un fotón con una energía así de grande puede producir un mesón rho en una interacción que implica varios núcleos a la vez. Las reacciones de gran longitud de coherencia requerían una atención especial en los cálculos de Couderc y Klein, y resultaron contribuir significativamente a las energías más altas.

No es hasta que el fotón alcanza la energía de 1023 eV, no obstante, cuando la producción del rho a través de este mecanismo coherente supera la producción del rho por interacción con núcleos individuales. A tales energías, la longitud de coherencia se mide en metros, lo que significa que un fotón crea un rho en una interacción que tiene lugar a través de todo un gran bloque de materia. Algunos neutrinos cósmicos, defienden los astrofísicos, pueden tener suficiente energía para producir tales fotones.

El trabajo de Couderc y Klein hace posible estimar fiablemente los efectos que anteriormente eran desechados en modelos del desarrollo de lluvias de fotones, dice Ralston, y es importante en estudios de rayos cósmicos de energía ultra-alta. “Cuando los fotones se comportan mal, tenemos que saber más sobre ellos”, dice.


Referencias:

[1] John P. Ralston, Soebur Razzaque, and Pankaj Jain, “Ultra-high Energy Quenching of the LPM Effect: Implications for GZK-Violating Events,” arXiv:astro-ph/0209455.

Autor: David Lindley
Fecha Original: 7 de agosto de 2009
Enlace Original

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