Un experimento realizado en la ladera de un volcán extinto de México con rayos gamma está ayudando a los científicos a responder a una pregunta fundamental de la física: ¿Es la velocidad de la luz la misma en todo el universo?

El observatorio High Altitude Water Cherenkov (HAWC), situado en las laderas del volcán Sierra Negra en Puebla (México), detecta los rayos gamma y los rayos cósmicos procedentes de fuentes galácticas lejanas que entran en la atmósfera de la Tierra.

Los rayos gamma son producidos por los objetos más calientes y energéticos del universo, como las explosiones de supernovas, las estrellas de neutrones y los agujeros negros. Los estallidos de rayos gamma son los eventos más energéticos que se producen, liberando más energía en 10 segundos que la que liberará el Sol durante toda su vida.

El estudio de los rayos gamma ofrece la oportunidad de comprender estos objetos de alta energía. Pero detectarlos es difícil, ya que tienen longitudes de onda muy pequeñas. Como señala la NASA: «Las longitudes de onda de los rayos gamma son tan cortas que pueden atravesar el espacio dentro de los átomos de un detector».

El HAWC observa los rayos gamma utilizando cientos de enormes tanques de agua purificada. Los rayos gamma se detectan registrando el nivel de luz Cherenkov producido cuando las partículas atraviesan el agua. Como explica el HAWC «La luz Cherenkov es el equivalente electromagnético de un estampido sónico. Se produce cuando una partícula cargada viaja a través de un medio más rápido de lo que la luz puede viajar a través de ese medio».

En el último experimento, dirigido por Andrea Albert, del Laboratorio Nacional de Los Álamos, en Nuevo México, los investigadores del HAWC buscaban poner a prueba la Invariancia de Lorentz.

Esto es parte de la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein que dice que la velocidad de la luz es constante en todo el universo, independientemente de dónde se encuentre o de la velocidad a la que se mueva. Esta constante forma parte del Modelo Estándar de la física de partículas, nuestra mejor explicación, aunque todavía incompleta, de cómo funciona el universo.

Sin embargo, se cree que esta teoría puede romperse a las energías más altas. Si la Invariancia de Lorentz se rompiera, significaría que varios fenómenos diferentes serían posibles.

«Cómo se comporta la relatividad a energías muy altas tiene consecuencias reales para el mundo que nos rodea», dijo Pat Harding, astrofísico del Laboratorio Nacional de Los Álamos, en un comunicado. «La mayoría de los modelos de gravedad cuántica dicen que el comportamiento de la relatividad se romperá a energías muy altas».

Los resultados del experimento se publican en la revista Physical Review Letters. El equipo analizó los rayos gamma detectados recientemente que procedían de cuatro fuentes galácticas que producían fotones por encima de los 100 TeV. Esto equivale a un billón de veces la energía de la luz visible. La máxima energía de colisión producida en el Gran Colisionador de Hadrones es de unos 14 TeV.

Los resultados mostraron que, incluso a estas energías extremas, ninguna de las fuentes violaba la invariancia de Lorentz. «Nuestra observación de fotones de tan alta energía eleva la escala de energía en la que la relatividad se mantiene en más de un factor de cien», dijo Harding en el comunicado. «Las detecciones de rayos gamma de energía aún más alta desde distancias astronómicas permitirán comprobaciones más estrictas de la relatividad».

Comentando los hallazgos con Gizmodo, Ralf Lehnert, del Centro de Simetrías del Espacio-Tiempo de la Universidad de Indiana, dijo que los hallazgos eran buenos pero que ésta es sólo una forma de medir las violaciones de la invariancia de Lorentz. Sin embargo, también dijo que se suma a muchas otras pruebas que han buscado violaciones y no han encontrado ninguna.

Harding dijo que el equipo continuará investigando los rayos gamma y la invariancia de Lorentz «A medida que el HAWC continúe tomando más datos en los próximos años e incorpore las mejoras dirigidas por Los Álamos al detector y a las técnicas de análisis en las energías más altas, podremos estudiar esta física aún más», dijo.

tanques de agua de rayos gamma
Ilustración que muestra las cuatro fuentes de rayos gamma con los tanques de agua en el HAWC.
Jordan Goodman

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