¿Cuál es la principal aportación de Arturo Duperier a la física y al estudio de los rayos cósmicos?
Duperier inició su carrera científica hacia 1920 trabajando con Blas Cabrera sobre el magnetismo de la materia a la vez que encontraba una salida profesional como meteorólogo. A principios de 1930 empezó a ocuparse de la electricidad atmosférica, un campo bastante cercano al de los rayos cósmicos, en el que se introdujo tras un viaje de estudios por Alemania que hizo en 1934. Justo entonces este campo estaba viviendo una edad dorada mientras se incorporaba en la naciente física de partículas.
En mayo de 1938 se exilió al Reino Unido con la intención de seguir trabajando en los rayos cósmicos y un año después se incorporó en Manchester al equipo de Patrick Blackett, una de las figuras más destacadas del campo. En marzo de 1940 trasladó a Londres el laboratorio y, mientras su colega y amigo participaba en el esfuerzo de guerra, inició una serie de observaciones que el blitz (1) no interrumpió y que le llevarían a su mayor contribución a la física a fines de la década de 1940.
A finales de los años 1930, Blackett y otros físicos habían establecido que la componente principal de los rayos cósmicos que llegan a la superficie terrestre estaba formada por unas partículas elementales inestables a las que hoy llamamos muones (2). Estos serían el producto de la desintegración de otras partículas también inestables y de vida mucho más corta, los piones —y, según sabemos hoy, también kaones—, que se crean en las colisiones de los rayos cósmicos primarios que vienen de nuestra Galaxia y más allá con las capas altas de la atmósfera terrestre.
Con sus aparatos —muy parecidos al detector del MUNCYT: bandejas de tubos Geiger en coincidencia— instalados primero en un piso alto del Imperial College y en la estación del metro de Holborn y después en el Birkbeck College, Duperier midió muy cuidadosamente la intensidad de los rayos cósmicos, es decir, el número de partículas detectadas por unidad de tiempo.
Duperier comparó sus registros con los datos de presión y temperatura en superficie y en altura —obtenidas estos últimos por globos sonda del servicio meteorológico británico— y encontró correlaciones notables.
Por ejemplo, al subir la presión baja la intensidad de los rayos cósmicos, como se ve en esta figura de uno de sus principales artículos:
Fig. 1 Duperier, A. (1944). A new cosmic‐ray recorder and the air‐absorption and decay of particles. Terrestrial Magnetism and Atmospheric Electricity, 49(1), 1-7.
Sabiendo que los muones pueden ser absorbidos —mejor dicho, desaparecer y dar lugar a otras partículas— al interaccionar con los núcleos atómicos de la atmósfera es fácil entender el porqué: a más presión, más densidad de aire, más interacciones y más absorción, es decir, menos muones…
Respecto a la temperatura, hay dos efectos que tienen sentidos opuestos. En primer lugar, Blackett propuso hacia 1938 que al aumentar la temperatura de las capas altas de la atmósfera la intensidad de los rayos cósmicos disminuye porque la atmósfera se expande y los muones se crean más lejos de la superficie, con lo que tienen más tiempo de vuelo durante el que desintegrarse y ser absorbidos. Por otro lado, Duperier planteó en 1949 que al aumentar la temperatura en las capas altas de la atmósfera —más precisamente la capa en la que se crean los rayos cósmicos secundarios— la densidad disminuye y los piones tienen menos probabilidades de ser capturados y desaparecer antes de desintegrarse en los muones que luego llegarán a la superficie.
Duperier propuso un modelo empírico que tenía en cuenta todos estos efectos. Después analizó estadísticamente la gran cantidad de datos de calidad que había recopilado y buscó el mejor ajuste con el modelo, el que maximizaba las correlaciones entre las distintas variables: El ajuste óptimo se obtenía suponiendo que los muones se creaban por desintegración de los piones en cascadas de rayos cósmicos a una altura media de unos 16 km y tenían una vida media del orden de 2 billonésimas de segundo.
(1) Se conoce como blitz la campaña de bombardeos sistemáticos que la Alemania nazi llevó a cabo sobre el Reino Unido entre septiembre de 1940 y mayo de 1941, cuando Londres, por ejemplo, fue atacada 71 veces, siendo dañadas o destruidas un tercio de sus viviendas. Tras su marcha de Madrid en 1936, Duperier podría haber dicho por segunda vez lo que dijo George Orwell en England Your England (1941): "As I write, highly civilised human beings are flying overhead, trying to kill me."
(2) Más información sobre partículas elementales en el cuaderno Experimenta. Rayos cósmicos: http://www.muncyt.es/stfls/MUNCYT/Publicaciones/rayos_cosmicos_muncyt.pdf