Che cos'è un raggio cosmico ad altissima energia?

I raggi cosmici sono particelle subatomiche che volano nello spazio a grande velocità in tutte le direzioni. Circa il 90% di essi sono protoni, il 9% sono nuclei di elio e l'1% sono elettroni. Contrariamente alla loro denominazione, i raggi cosmici sono particelle energetiche piuttosto che raggi in sé. Sulla Terra, possiamo rilevare i raggi cosmici quando si scontrano con l'atmosfera superiore e rilasciano una pioggia di particelle cariche. Osservando quanto è intensa la pioggia di particelle, possiamo dedurre l'energia e la direzione del raggio cosmico.

Un raggio cosmico ad altissima energia (UHECR) è un tipo di raggio cosmico con un'energia anomalamente alta. Non esiste un limite di cutoff ufficiale che definisca un raggio cosmico ad altissima energia, ma il termine generalmente si riferisce ai raggi cosmici che si avvicinano o superano il limite di Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) sull'energia dei raggi cosmici. Il limite GZK corrisponde a un'energia di soglia di 6 x 10 ¹⁹ elettronvolt, circa dieci milioni di volte più energica delle particelle nei più potenti acceleratori di particelle. Al di sopra di questo limite, si pensa che i raggi cosmici interagiscano con lo sfondo cosmico a microonde per produrre particelle esotiche chiamate pioni, riducendo così la loro energia al limite GZK.

Ma sono stati osservati raggi cosmici che superano il limite GZK. Questo è un mistero della fisica e potrebbe essere un suggerimento per le teorie fisiche che succedono a quelle di Einstein, secondo fisici rispettati come Lee Smolin. Uno di questi raggi cosmici, osservato a Dugway Proving Grounds nello Utah e soprannominato la particella Oh-My-God, aveva un'energia di circa 3 x 10 ²⁰ elettronvolt. Questo è approssimativamente equivalente a quello di una palla da baseball ben lanciata - eppure qui stiamo parlando di una particella più piccola di un tipico nucleo atomico. Si stima che questa particella viaggiasse a circa 1 - 5 x 10 ^-24 velocità della luce. Ciò significa che se il raggio cosmico correva un fotone (particella di luce), dopo un intero anno di viaggio, il raggio cosmico sarebbe solo 46 nanometri dietro il fotone originale.

Dalla scoperta della particella Oh-My-God nel 1991, sono stati registrati almeno quindici eventi simili, a dimostrazione del fatto che i raggi cosmici ad altissima energia sono un fenomeno reale. Poiché tali particelle sono così energiche, è improbabile che vengano influenzate dai campi magnetici delle galassie, quindi probabilmente viaggerebbero in una linea diretta dal loro punto di origine. Ma non è stato trovato nulla di interessante nella direzione del cielo da dove ha origine il raggio cosmico. Perché? Non lo sappiamo.