Los rayos cósmicos son partículas atómicas de alta energía que bombardean continuamente la superficie de la Tierra a casi la velocidad de la luz. El campo magnético de nuestro planeta protege la superficie de la mayor parte de la radiación generada por estas partículas. Todavía, Los rayos cósmicos pueden causar fallas electrónicas y son la principal preocupación en la planificación de misiones espaciales.

Los investigadores saben que los rayos cósmicos se originan en la multitud de estrellas de la Vía Láctea, incluido nuestro sol, y otras galaxias. La dificultad es rastrear las partículas hasta fuentes específicas, porque la turbulencia del gas interestelar, plasma, y el polvo hace que se dispersen y vuelvan a dispersarse en diferentes direcciones.

En Anticipos de AIP , Los investigadores de la Universidad de Notre Dame desarrollaron un modelo de simulación para comprender mejor estas y otras características de transporte de rayos cósmicos, con el objetivo de desarrollar algoritmos para mejorar las técnicas de detección existentes.

La teoría del movimiento browniano se emplea generalmente para estudiar las trayectorias de los rayos cósmicos. Al igual que el movimiento aleatorio de las partículas de polen en un estanque, las colisiones entre rayos cósmicos dentro de campos magnéticos fluctuantes hacen que las partículas se impulsen en diferentes direcciones.

Pero este enfoque de difusión clásico no aborda adecuadamente las diferentes tasas de propagación afectadas por diversos entornos interestelares y largos períodos de vacíos cósmicos. Las partículas pueden quedar atrapadas durante un tiempo en campos magnéticos, que los ralentizan, mientras que otros son impulsados ​​a velocidades más altas a través de explosiones de estrellas.

Para abordar la naturaleza compleja de los viajes de los rayos cósmicos, los investigadores utilizan un modelo de dispersión estocástica, una colección de variables aleatorias que evolucionan con el tiempo. El modelo se basa en el movimiento browniano geométrico, una teoría de la difusión clásica combinada con una ligera desviación de la trayectoria en una dirección.

En su primer experimento, simularon rayos cósmicos moviéndose a través del espacio interestelar e interactuando con nubes magnetizadas localizadas, representado como tubos. Los rayos viajan sin ser molestados durante un largo período de tiempo. Son interrumpidos por la interacción caótica con las nubes magnetizadas, dando como resultado que algunos rayos se reenvíen en direcciones aleatorias y otros queden atrapados.

Análisis numérico de Montecarlo, basado en muestreo aleatorio repetido, revelaron rangos de densidad y fuerza de reemisión de las nubes magnéticas interestelares, conduciendo a sesgado, o de cola pesada, distribuciones de los rayos cósmicos que se propagan.

El análisis denota un marcado comportamiento superdifusivo. Las predicciones del modelo concuerdan bien con las propiedades de transporte conocidas en medios interestelares complejos.

"Nuestro modelo proporciona información valiosa sobre la naturaleza de los entornos complejos atravesados ​​por los rayos cósmicos y podría ayudar a avanzar en las técnicas de detección actuales, ", dijo el autor Salvatore Buonocore.