Un telescopio diseñado para estudiar rayos cósmicos permite explorar el interior de las tormentas
El telescopio de muones del experimento GRAPES-3, concebido para estudiar las partículas secundarias generadas por los rayos cósmicos, se ha convertido también en una herramienta para investigar los potentes campos eléctricos que se forman en el interior de las tormentas. Un nuevo estudio basado en casi una década de observaciones ha analizado 487 episodios registrados entre abril de 2011 y diciembre de 2020 para resolver una llamativa anomalía: el instrumento detecta casi seis veces más tormentas desde las direcciones orientales que desde las occidentales. Los resultados, publicados en Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, establecen una relación cuantitativa entre esta diferencia y la proporción de muones positivos y negativos, condicionada por el campo geomagnético; y refuerzan el uso de estas partículas para estudiar estructuras eléctricas atmosféricas con potenciales que pueden alcanzar la escala de los gigavoltios.
La investigación parte precisamente de esa desigual distribución de los eventos. Los autores descartan que implique que las tormentas sean realmente mucho más frecuentes en una zona concreta del cielo. Las simulaciones muestran que el origen está en el campo magnético terrestre, que filtra de manera diferente los rayos cósmicos primarios según su dirección y acaba modificando la proporción entre muones positivos y negativos que llegan a la superficie. Como consecuencia, un mismo potencial eléctrico en una tormenta puede provocar variaciones distintas en la intensidad de muones dependiendo de la dirección desde la que sea observado.
GRAPES-3 se encuentra en Ooty, en el sur de India, a unos 2.200 metros sobre el nivel del mar. Su telescopio de muones está formado por 3.712 contadores proporcionales distribuidos entre 16 módulos y ocupa una superficie de 560 metros cuadrados. El sistema permite determinar la dirección de llegada de los muones y registra alrededor de 4.000 millones de estas partículas cada día. Los muones son partículas muy penetrantes producidas en las cascadas que se originan cuando los rayos cósmicos primarios interactúan con la atmósfera terrestre.
Las tormentas dejan su huella en los muones
Los campos eléctricos de las tormentas pueden acelerar o frenar los muones según su carga y la orientación del campo que atraviesan. Ese proceso provoca aumentos o disminuciones medibles en la cantidad de partículas que llegan hasta el detector. GRAPES-3 combina estas mediciones con cuatro instrumentos instalados en sus alrededores que registran continuamente el campo eléctrico atmosférico local. El cruce de ambas fuentes de información permite seguir el movimiento de una tormenta y estudiar propiedades como su altitud, velocidad, extensión y potencial eléctrico.
Los investigadores identificaron 487 tormentas observadas entre abril de 2011 y diciembre de 2020 aplicando un criterio de selección basado en variaciones absolutas de la intensidad de muones superiores al 0,3%, lo que equivale a unas 50 detecciones anuales. La distribución resultó llamativamente desigual: el 81,5% de los eventos se concentró en el grupo de direcciones orientales, frente al 13,7% en el occidental. En conjunto, el telescopio registró 5,9 veces más episodios hacia el este que hacia el oeste, una diferencia que exigía determinar por qué muchas más tormentas superaban el umbral de detección en una dirección que en la otra.
El campo magnético terrestre explica la diferencia
La respuesta está en la proporción entre muones positivos y negativos. Los rayos cósmicos primarios tienen predominantemente carga positiva y, al interactuar con la atmósfera, producen partículas secundarias que acaban generando más muones positivos que negativos. El campo geomagnético filtra esos rayos cósmicos primarios de manera diferente dependiendo de su dirección y rigidez. En el campo de visión de GRAPES-3, la rigidez de corte geomagnética varía aproximadamente entre 15 y 24 gigavoltios de oeste a este, un fenómeno que termina reflejándose en la proporción de cargas de los muones que alcanzan el detector.
Para comprobar si este mecanismo explicaba los datos reales, el equipo recurrió al programa de simulación CORSIKA y reprodujo la propagación de partículas a través de la atmósfera. Los cálculos mostraron que la proporción entre muones positivos y negativos aumenta de oeste a este: pasó de 1,136 en el grupo occidental a 1,374 en el oriental, alrededor de un 21% más. Esta diferencia hace que un mismo potencial eléctrico de una tormenta produzca una variación mayor en la intensidad de muones procedentes de las direcciones orientales y que, por tanto, más eventos superen el umbral utilizado para identificarlos. Las simulaciones reprodujeron una relación de 5,09 eventos en el este por cada uno en el oeste, compatible con el valor de 5,9 observado. Cuando los científicos mantuvieron constante la proporción entre muones positivos y negativos, la asimetría desapareció.
Una nueva forma de estudiar las grandes tormentas
El resultado proporciona una explicación física a la desigual distribución de las tormentas registradas por GRAPES-3 y refuerza el uso de los muones como una vía indirecta para estudiar fenómenos difíciles de medir directamente en el interior de las grandes nubes de tormenta. Los autores concluyen que la asimetría observada responde principalmente a la variación de la proporción de cargas de los muones provocada por el campo geomagnético, y no a un sesgo instrumental. Las distintas combinaciones de modelos de interacción de partículas utilizadas en las simulaciones modifican los valores absolutos, pero mantienen esta tendencia. El trabajo consolida así la base física para utilizar GRAPES-3 como una sonda de la electrodinámica atmosférica y estudiar los enormes potenciales eléctricos, de hasta escala gigavoltio, que pueden desarrollarse en las tormentas.