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IMAGEN: Como resultado de la colaboración entre China y Japón, en 2014 se colocaron nuevos detectores de muones tipo Cherenkov debajo de la matriz de ducha de aire existente. Más

Crédito de la foto: Imagen del Instituto de Física de Altas Energías.

El experimento Tibet ASγ, un proyecto de investigación conjunto entre China y Japón para observar rayos cósmicos, ha descubierto rayos gamma difusos de energía ultra alta de la Vía Láctea. Se estima que la energía más alta detectada es sin precedentes, casi 1 peta electronvoltio (PeV o un millón de billones de eV).

Sorprendentemente, estos rayos gamma no apuntan a fuentes conocidas de rayos gamma de alta energía, sino que se distribuyen por la Vía Láctea (ver Fig. 1).

Los científicos creen que estos rayos gamma son creados por la interacción nuclear entre los rayos cósmicos que emanan de las fuentes galácticas más poderosas («PeVatrons») y el gas interestelar de la Vía Láctea. Estos resultados de observación marcan un hito importante en el descubrimiento del origen de los rayos cósmicos que han desconcertado a la humanidad durante más de un siglo.

Los rayos cósmicos son partículas de alta energía del espacio que consisten principalmente en protones y núcleos, así como una pequeña cantidad de electrones / positrones y rayos gamma. Se cree que los rayos cósmicos por debajo de unos pocos PeV se generan en nuestra Vía Láctea, y una fuente que puede acelerar los rayos cósmicos a energía PeV se conoce como PeVatron. Aunque se sospecha que los restos de supernova, las regiones de formación de estrellas y el agujero negro supermasivo en el centro galáctico son candidatos de PeVatron, hasta la fecha no se ha observado ninguno, principalmente porque la mayoría de los rayos cósmicos tienen una carga eléctrica y pierden su dirección original a medida que se propagan la Vía Láctea, así como a través del campo magnético, se pueden doblar.

Los rayos cósmicos, sin embargo, pueden interactuar con el medio interestelar cerca de su ubicación de aceleración y producir rayos gamma con aproximadamente el 10% de la energía de sus rayos padres cósmicos. Dado que el campo magnético no puede cambiar la dirección de los rayos gamma eléctricamente neutros, los rayos gamma de energía ultra alta (0,1-1 PeV) pueden proporcionar información sobre dónde se encuentran los PeVatrones en la Vía Láctea.

El experimento Tibet ASγ se inició en 1990. Después de varias ampliaciones, el conjunto de duchas de aire actual consta de más de 500 detectores de radiación, distribuidos en aproximadamente 65.000 metros cuadrados. Para mejorar la sensibilidad a las observaciones de rayos gamma, se utilizaron nuevos detectores de muones tipo Cherenkov con un área total efectiva de 3400 m2 se agregaron en 2014 debajo de los detectores de superficie existentes para rayos cósmicos (ver Fig.2).

Dado que los eventos de rayos gamma son pobres en muones y los eventos de protones / nucleares dominantes son ricos en muones, esta característica se puede utilizar para suprimir el fondo inducido por los eventos de protones / nucleares. Usando esta técnica, el experimento Tíbet ASγ redujo con éxito los eventos de fondo nuclear / protón a una millonésima, la más eficiente jamás realizada en este tipo de experimento. Por lo tanto, podemos capturar rayos gamma de alta energía casi libres de eventos de fondo cósmicos.

Los científicos del experimento Tíbet ASγ observaron rayos gamma con energías entre aproximadamente 0,1 y 1 PeV procedentes de las regiones del disco galáctico. En particular, encontraron 23 rayos gamma cósmicos de energía ultra alta con energías superiores a 398 TeV a lo largo de la Vía Láctea. De estos, la energía más alta observada fue de casi 1 PeV, que es un nuevo récord mundial de fotones de rayos gamma detectados en todas partes.

Sorprendentemente, estos rayos gamma no apuntan a las fuentes de rayos gamma de alta energía más poderosas que se conocen, ¡sino que se distribuyen a lo largo de la Vía Láctea! Los científicos pronto se dieron cuenta de que estos rayos gamma probablemente provenían de la interacción de los rayos cósmicos PeV y el medio interestelar después de escapar de las fuentes de aceleración (PeVatrons). Este proceso, conocido como «origen hadrónico», crea rayos gamma con energías de aproximadamente una décima parte de la de los rayos cósmicos parentales a través de la creación y posterior desintegración de piones neutros.

Estos rayos gamma difusos indican la existencia ubicua de poderosos aceleradores de partículas cósmicas (PeVatrons) en la Vía Láctea. En otras palabras, si existieran los PeVatrons, los rayos cósmicos que emiten penetrarían en la galaxia, creando un resplandor difuso de rayos gamma de energías extremas. Esto es exactamente lo que descubrieron los científicos del experimento Tibet ASγ. Este es un descubrimiento largamente esperado durante décadas que proporciona una clara evidencia de la existencia de PeVatrons en el pasado y / o ahora en nuestra galaxia, la Vía Láctea.

Hace dos años, los científicos del experimento Tíbet ASγ encontraron rayos gamma extremadamente energéticos de la Nebulosa del Cangrejo, una nebulosa de viento púlsar en la Vía Láctea. Estos rayos gamma probablemente se generaron por otros medios, como electrones / positrones de alta energía en la nebulosa, un proceso conocido como «origen leptónico».

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