Muones cósmicos
Cada segundo, unos cien muones alcanzan un metro cuadrado de la superficie terrestre. Atraviesan tejados, paredes y personas sin que nadie note nada. Los muones son la parte mejor medible de la radiación cósmica — y una de las cuatro contribuciones que la ecuación maestra reúne bajo el flujo efectivo.
De dónde vienen
Protones y núcleos atómicos de alta energía procedentes del espacio chocan a unos quince kilómetros de altura con núcleos de nitrógeno y de oxígeno de la atmósfera. De esas colisiones surgen cascadas de partículas nuevas: las cascadas atmosféricas. Una gran parte son piones, que en fracciones de una millonésima de segundo se desintegran en muones y neutrinos.
De todas las partículas cargadas de esas cascadas, casi solo los muones llegan al suelo. El resto se absorbe antes.
Una partícula que en realidad no debería llegar
Los muones viven de media 2,2 microsegundos. Incluso a la velocidad de la luz, un muón recorrería en ese tiempo apenas unos 660 metros — y la atmósfera es veinte veces más gruesa. Según el cálculo clásico, prácticamente ninguno debería alcanzar el suelo.
Lo alcanzan de todos modos, y en gran número. La razón es la dilatación del tiempo de la relatividad especial: desde el punto de vista del muón, el trayecto está acortado; desde el punto de vista del suelo, su reloj interno marcha más despacio. El flujo de muones a nivel del mar es así una de las pruebas cotidianas más hermosas de la teoría de Einstein — cada segundo, en todas partes, millones de veces.
Cuántos son
El Particle Data Group indica para el nivel del mar en torno a 10² muones por metro cuadrado y segundo — aproximadamente uno por centímetro cuadrado y minuto. La energía media se sitúa alrededor de 4 GeV.
El flujo no es igual en todas partes, y ello de un modo agradablemente comprensible: aumenta de forma notable con la altitud, porque queda menos atmósfera por encima, y depende ligeramente de la latitud geográfica, porque el campo magnético terrestre desvía las partículas primarias incidentes. Quien calcule con este flujo puede, por tanto, adoptarlo en función del emplazamiento — y puede medirlo él mismo con detectores comparativamente sencillos.
La diferencia con los neutrinos
Los muones llevan carga eléctrica e interactúan electromagnéticamente. Ceden energía ionizando la materia a su paso — lo que se describe mediante la pérdida de energía por unidad de recorrido, dE/dx. Un solo muón deja así una señal claramente mayor que un neutrino, cuya sección eficaz es muchos órdenes de magnitud menor.
En cambio, el flujo de neutrinos es muchas veces más denso y completamente uniforme en el tiempo, mientras que el flujo de muones fluctúa con la meteorología, la altitud y la actividad solar. Las dos contribuciones se complementan, pues: una intensa y variable, la otra débil y fiable.
Aplicaciones más allá de la investigación fundamental
Los muones son desde hace tiempo una herramienta. La muografía examina con ellos objetos que ningún equipo de rayos X alcanza: en 2017, un equipo descubrió así una cavidad hasta entonces desconocida en la pirámide de Keops. Los vulcanólogos determinan con ella la distribución de densidad en el interior de volcanes activos, y en Japón el procedimiento se empleó para mirar dentro de los bloques destruidos del reactor de Fukushima.
Que una partícula descubierta hace apenas noventa años examine hoy pirámides dice bastante sobre el ritmo de este campo.
Términos relacionados
- La ecuación maestra — allí el flujo de muones es una de cuatro contribuciones
- Sección eficaz — por qué los muones interactúan más que los neutrinos
- Oscilación de neutrinos — muones y neutrinos nacen juntos en la cascada atmosférica
- Neutrinovoltaica — el enfoque que pretende aprovechar ambos flujos
Fuentes
- Particle Data Group: Review of Particle Physics — Cosmic Rays (2022).
- K. Morishima et al.: Discovery of a big void in Khufu's Pyramid by observation of cosmic-ray muons. Nature 552, 386–390 (2017).
- H. Tanaka et al.: trabajos sobre la muografía de volcanes, Earth and Planetary Science Letters, desde 2007.