A física astroparticular, tamén chamada astrofísica de partículas, é unha rama da física de partículas que estuda as partículas elementais de orixe astrofísica e a súa relación coa astrofísica e a cosmoloxía. Trátase dun campo de investigación relativamente novo que xorde na intersección da física de partículas, a astronomía, a astrofísica, a física de detectores, a relatividade, a física do estado sólido e a cosmoloxía. Parcialmente motivado polo descubrimento da oscilación de neutrinos, o campo experimentou un rápido desenvolvemento tanto teórico como experimental desde o comezo dos anos 2000.

Historia O campo da física astroparticular evolucionou a partir da astronomía óptica. Co crecemento da tecnoloxía de detectores xurdiu unha astrofísica máis madura, que incorporaba múltiples subdisciplinas da física, como a mecánica, a electrodinámica, a termodinámica, a física de plasmas, a física nuclear, a relatividade e a física de partículas. Os físicos de partículas consideraron necesaria a astrofísica debido á dificultade de producir partículas con enerxías comparables ás atopadas no espazo. Por exemplo, o espectro dos raios cósmicos contén partículas con enerxías de ata 1020 eV, mentres que unha colisión protón-protón no Large Hadron Collider alcanza enerxías de arredor de 1012 eV.

Pódese dicir que o campo comezou en 1910, cando o físico alemán Theodor Wulf mediu a ionización no aire, un indicador da radiación gamma, na base e no cumio da Torre Eiffel. Observou que había moita máis ionización na parte superior do esperado se só se consideraban fontes terrestres desta radiación.

O físico austríaco Victor Francis Hess formulou a hipótese de que parte da ionización era causada por radiación procedente do espazo. Para defendela, Hess deseñou instrumentos capaces de operar a grandes alturas e realizou observacións ata os 5,3 km de altitude. Entre 1911 e 1913 realizou dez voos para medir con precisión os niveis de ionización. Segundo cálculos previos, non debería existir ionización por enriba dos 500 m se as fontes terrestres fosen a única causa. Porén, as medicións mostraron que, aínda que a ionización diminuía inicialmente coa altitude, comezaba a aumentar de forma notable despois dun certo punto. Nos puntos máis altos dos seus voos, observou niveis de ionización superiores aos da superficie. Hess concluíu que “unha radiación de moi alto poder de penetración entra na nosa atmosfera desde o espazo”. Ademais, un dos voos realizouse durante unha eclipse case total de Sol; ao non observar diminución na ionización, deduciu que a fonte debía estar máis aló do sistema solar. Por este descubrimento, Hess recibiu o Premio Nobel de Física en 1936. En 1925, Robert Millikan confirmou estes resultados e acuñou o termo ‘raios cósmicos’.

Moitos físicos consideran que este descubrimento dos raios cósmicos por Hess marca o inicio formal do campo da física astroparticular.

Temas de investigación Aínda que é difícil establecer unha definición estándar tipo ‘manual’ da física astroparticular, o campo caracterízase polos temas de investigación que se desenvolven activamente. A revista Astroparticle Physics acepta artigos centrados nos seguintes ámbitos:

Física de raios cósmicos de alta enerxía e astrofísica; Cosmoloxía de partículas; Física astroparticular; Astrofísica relacionada: supernova, núcleos galácticos activos, abundancias cósmicas, materia escura etc.; Astronomía de raios gamma de alta enerxía, VHE e UHE; Astronomía de neutrinos de alta e baixa enerxía; Desenvolvemento de instrumentación e detectores relacionados cos ámbitos anteriores.

Problemas abertos Unha das tarefas principais do futuro do campo é definir con máis precisión a súa identidade máis aló de definicións operativas e diferenciándoo claramente da astrofísica e doutras áreas relacionadas.

Os problemas sen resolver actuais inclúen a caracterización da materia escura e da enerxía escura. As observacións das velocidades orbitais das estrelas na Vía Láctea e noutras galaxias, iniciadas por Walter Baade e Fritz Zwicky nos anos 1930, así como as velocidades das galaxias en cúmulos galácticos, mostraron movementos nas rexións externas moito maiores do esperado pola materia visible. Desde os anos noventa identificáronse algúns candidatos para explicar parcialmente esta materia non detectable, pero non son suficientes para unha explicación completa. A expansión acelerada do universo suxire ademais a existencia dunha compoñente adicional, chamada ‘enerxía escura’, que xoga un papel importante no baleiro dinámico.

Outra cuestión clave é por que existe moita máis materia ca antimateria no universo actual. A barioxénese describe os procesos hipotéticos que produciron un desequilibrio entre barións e antibarións no universo primitivo, dando lugar ao predominio actual da materia.

Instalacións experimentais O rápido desenvolvemento do campo levou ao deseño de novas infraestruturas. En laboratorios subterráneos ou mediante telescopios, antenas e experimentos espaciais, os físicos astroparticulares empregan novos métodos de detección para observar unha ampla gama de partículas cósmicas, incluíndo neutrinos, raios gamma e raios cósmicos de moi alta enerxía. Tamén buscan materia escura e ondas gravitacionais. Os físicos de partículas experimentais están limitados pola tecnoloxía dos aceleradores terrestres, que só poden alcanzar unha pequena fracción das enerxías presentes na natureza.

A continuación móstrase unha lista non exhaustiva de laboratorios e experimentos.

Laboratorios subterráneos Estas instalacións sitúanse a gran profundidade para protexer os experimentos sensibles dos raios cósmicos.

China Jinping Underground Laboratory é un laboratorio subterráneo profundo situado nas montañas Jinping de Sichuan, China. Kamioka Observatory é un laboratorio de neutrinos e ondas gravitacionais situado na mina Mozumi preto de Kamioka, na cidade de Hida (prefectura de Gifu, Xapón). Alberga o experimento Super-Kamiokande. Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) é un laboratorio que acolle experimentos de baixo ruído de fondo. As súas salas experimentais están dentro do macizo do Gran Sasso, preto de L'Aquila (Italia). SNOLAB está situado a 2 km de profundidade nunha mina activa en Greater Sudbury (Canadá). Evolucionou a partir do Observatorio de Neutrinos de Sudbury e opera como unha sala limpa que acolle experimentos de neutrinos e busca de materia escura. Sanford Underground Research Facility (SURF), situado en Lead, South Dakota, acolle múltiples experimentos e está financiado en parte polo United States Department of Energy.

Detectores de neutrinos Os detectores de neutrinos son extremadamente grandes debido á rareza das interaccións destes coas partículas da materia.

IceCube (Antártida). O maior detector de partículas do mundo, completado en decembro de 2010. Está deseñado para estudar neutrinos de alta enerxía, buscar materia escura, observar supernovas e buscar partículas exóticas como monopolos magnéticos. ANTARES (Toulon, Francia). Detector de neutrinos situado a 2,5 km baixo o mar Mediterráneo fronte á costa de Toulon. NESTOR Project (Pylos, Grecia). Proxecto internacional para instalar un telescopio de neutrinos no fondo mariño. BOREXINO, detector en tempo real instalado no LNGS, deseñado para detectar neutrinos solares mediante un centelleador orgánico líquido.

Detectores de materia escura Experimentos dedicados á detección directa de interaccións de materia escura co material do detector.

O experimento LZ experiment busca detectar dispersións de partículas masivas de interacción débil (WIMPs) en núcleos de xenón. Está situado no Sanford Underground Research Facility (SURF) e é xestionado polo Lawrence Berkeley National Lab do United States Department of Energy. XENONnT, actualización de XENON1T, é un experimento de busca directa de materia escura no LNGS. A colaboración Global Argon Dark Matter opera unha serie de experimentos con argon líquido: DarkSide-50 en LNGS, DEAP-3600 en SNOLAB e o futuro DarkSide-20k no LNGS. O Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) é unha serie de experimentos con detectores semicondutores a temperaturas de milikelvin. O CERN Axion Solar Telescope (CERN, Suíza) busca axións procedentes do Sol.

Observatorios de raios cósmicos Experimentos dedicados á detección de raios cósmicos de alta enerxía:

Pierre Auger Observatory (Malargüe, Arxentina) detecta raios cósmicos de alta enerxía mediante tanques de auga en superficie e técnicas de fluorescencia na atmosfera. Telescope Array Project (Delta, Utah) é un experimento para a detección de raios cósmicos de ultra alta enerxía mediante unha rede terrestre e técnicas de fluorescencia. Notas

Véxase tamén Bibliografía

Outros artigos Astroparticle Physics (revista) Urca process Unsolved problems in physics Ligazóns externas

Aspera European network portal Sobre a física astroparticular Helmholtz Alliance for Astroparticle Physics Física astroparticular nos Países Baixos Física astroparticular e de altas enerxías Astroparticle Physics Laboratory na NASA Ensino de física astroparticular

Categoría:Física de partículas Categoría:Astrofísica Categoría:Física teórica Categoría:Cosmoloxía física