Laboratorio Detección de Partículas y Radiación

El Observatorio Pierre Auger

El Observatorio Pierre Auger, situado en la ciudad de Malargüe, en la provincia de Mendoza, Argentina, es una iniciativa conjunta de 18 países en la que colaboran unos 450 científicos de más de 60 instituciones con la finalidad de estudiar los rayos cósmicos de las más altas energías.

Se trata del Observatorio de rayos cósmicos de mayor tamaño en la Tierra con detectores ubicados sobre más de 3000 km², y esta operando desde el 2004.

Los rayos cósmicos son partículas cargadas provenientes del espacio, que caen permanentemente sobre la Tierra. La mayor parte de esas partículas pertenecen a poblaciones bien conocidas, campos magnéticos dinámicos las aceleran. Los campos magnéticos en el sol, en el viento solar y aquellos expulsados hacia fuera por explosiones de supernovae en nuestra galaxia, la Via Lactea, explican rayos cósmicos en rangos sucesivos de la energía. Para los de energía mucho más alta, por sobre los 10¹⁹ eV, sin embargo, no hay consenso científico sobre sus orígenes. El Observatorio Pierre Auger esta diseñado para recolectar los datos necesarios para resolver ese rompecabezas.

Estos rayos cósmicos notables son extremadamente raros. Para una energía de 10¹⁹ eV, la tasa de llegada es solamente de 1 partícula por kilómetro cuadrado por año. Los especialmente interesantes, con energías superiores a 10²⁰ eV, tienen un índice de llegada estimado de 1/km² por milenio! Para registrar una gran cantidad de estos rayos cósmicos raros y notables con el fin del análisis estadístico, el área de detección es de 3000 kilómetros cuadrados, y esta ubicada al este de la Cordillera de los Andes en la provincia de Mendoza.

La atmósfera sobre el área sirve como un transductor y amplificador naturales para el detector. El rayo cósmico primario de alta energía choca con un núcleo en el aire, creando muchas partículas secundarias que comparten la energía original. Las partículas secundarias también chocan con los núcleos en el aire, creando una nueva generación con más partículas que continúan el proceso. Esta cascada, a veces llamada una “lluvia extensa en el aire”, llega el nivel del suelo con mil millones de partículas energeticas que pueden ser detectadas aproximadamente en 10 kilómetros cuadrados. Los detectores de partículas de Auger se despliegan con una separación de 1.5 kilómetros para muestrear la densidad de cada lluvia atmosferica en numerosos sitios sobre la tierra

Los 1660 tanques de agua del observatorio Pierre Auger, cada uno con capacidad para 12000 litros de agua hiperpura, son detectores de partículas. En el interior son totalmente oscuros, excepto cuando las partículas de la cascada atmosferica producida por el rayo cósmico los atravezan. Las partículas cargadas de la lluvia, que viajan más rápidamente que luz en el agua, producen luz Cherenkov como producto de las ondas expansivas electromágneticas. La cantidad de luz producida se mide usando 3 tubos fotomultiplicadores. Una lluvia extendida produce casi simultáneamente luz en 3 o más tanques separados, y las cantidades de luz detectada revelan la energía del rayo cósmico primario. Las diferencias leves en los tiempos de detección en las varias posiciones de los tanques determinan la dirección de la llegada del rayo cósmico.

En noches oscuras, sin luna, las lluvias de particulas también son medidas por detectores ópticos que pueden registrar el desarrollo de la cascada en la atmósfera sobre el arreglo de superficie. Las partículas de la lluvia producen fluorescencia por su accion sobre el nitrógeno. Los “detectores de fluorescencia” ven las cascadas del aire a una distancia típica de 15 kilómetros. Ven lo que parece ser una lampara de luz UV que desciende a través de la atmósfera a la velocidad de la luz. Los detectores siguen el desarrollo de la cascada midiendo el brillo de la luz emitida. Para una lluvia de 10¹⁹ eV, el brillo aumenta a 4 vatios mientras que la cascada alcanza su maximo tamaño.

Medir las lluvias de particulas secundarias con ambos tipos de detectores, convierte al Observatorio Pierre Auger en un “detector híbrido.” Las medidas híbridas proporcionan la mejor información posible sobre los tipos de particulas primarias (protones, núcleos pesados, fotones, etc.). Además, la comparación de la energia del rayo cósmico entre lluvias, a partir de métodos de detección independientes, revela cualquier error sistemático que pudiera ocurrir por el método en si.

Actividades en el laboratorio DPR

En el laboratorio DPR, se trabaja principalmente en el estudio de los datos de los detectores de superficie y en el desarrollo de nuevos detectores complementarios a los ya existentes en el Observatorio. En particular, se construyó un telescopio micro-ondas para observar las cascadas de día como de noche, el telescopio Víctor Hugo Ponce, y un detector en base a plástico centellador denominado ASCII. El detector ASCII fue elegido por la colaboración para extender la vida útil del Observatorio despues del 2015. Se construirán en los próximos cuatro años 1660 de estos detectores para complementar las mediciones de los detetctores Cherenkov en agua.

El laboratorio es responsable dentro de la colaboración Auger de la publicación del 1% de los datos para el público. Hospeda la versión en castellano del explorador de eventos, y coordina las publicaciones en otros idiomas.

También coordina el análisis de los datos de conteo del Observatorio Pierre Auger y su aplicación al estudio de la actividad solar. Esos datos también se encuentran en el explorador público.

Enlaces externos de interés

• El sitio principal del Observatorio Pierre Auger (en inglés)
• El sitio en Malargüe del Observatorio
• La página interna, de acceso limitado a los miembros de la colaboració (y en inglés)