Se detectan rayos cósmicos en un rango de energías sorprendentemente grande. Hablar de ‘rayos cósmicos de la mayor energía’ sin agregar ‘hasta hoy detectados’ puede parecer un signo de vanidad de los físicos contemporáneos, ya que el valor de la energía más alta observada ciertamente ha ido en aumento con el tiempo desde que los rayos cósmicos fueron descubiertos en 1912, y bien podría aumentar en el futuro. El nombre utilizado puede justificarse como una abreviación, pero también refleja la sorpresa que representa detectar rayos cósmicos tan veloces, y el misterio que rodea a las potenciales fuentes capaces de producirlos. En todo proceso físico conocido, hay un límite hasta el cual pueden acelerarse las partículas. Los rayos cósmicos hasta ahora no parecen darse por enterados. El actual ‘record’ es de 3,4x10²⁰ electrón-voltios, que es más o menos la energía que se transmite a una pelota de fútbol con una buena patada. Lo sorprendente es que esta energía está concentrada en una sola partícula subatómica (la pelota tiene más de 10²⁶), lo que la convierte en una magnitud fabulosa.

¿Qué es un electrón-voltio? Es la energía que adquiere un electrón cuando es acelerado por una diferencia de potencial de un voltio. Es una energía típica de fenómenos atómicos. Por ejemplo, 13,6eV alcanzan para desprender al electrón de un átomo de Hidrógeno. Los fotones de la luz emitida cuando los electrones de un átomo pasan de un nivel excitado a otro inferior en un tubo fluorescente tienen una energía de unos pocos eV. En cambio, los fotones de los rayos X tienen una energía del orden de los 1000eV (kilo-electrón-voltios, o keV), mientras que un rayo gamma, producto típico de las desintegraciones nucleares, tiene energías cercanas a los millones de eV (mega-electrón-voltios, o MeV). El mayor acelerador de partículas elementales, el Tevatrón en el Laboratorio Fermi de los EEUU, es capaz de producir protones y antiprotones de un tera-electrón-voltios, o sea, un millón de millones de eV. Los rayos cósmicos más veloces tienen cien millones de veces más energía.

La teoría de la relatividad de Einstein permitió entender que la masa de una partícula puede transformarse en otra forma de energía, por ejemplo radiación electromagnética, y viceversa, respetando la célebre fórmula E=mc², donde c es la velocidad de la luz en el vacío (aproximadamente 300.000 kilómetros por segundo, la mayor velocidad posible). Por ejemplo, la masa de un protón en reposo equivale a una energía de 109eV (mil millones de electrón-voltios). La energía total de una partícula, debida tanto a su masa como a su movimiento, está dada por la fórmula donde v es la velocidad de la partícula. Si el rayo cósmico de mayor energía que se ha observado es un protón, debe estar moviéndose al 99,9999999999999999999% de la velocidad de la luz (le ahorramos el trabajo al lector: hay 21 números 9 en esta cifra).