El Instituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (ITEDA-CNEA) buscará mejorar el sistema de detección del máximo observatorio de rayos cósmicos del mundo, el Pierre Auger de Malargüe. La idea es ubicar 1.600 detectores de muones en una superficie de 3.000 km2, con lo que se podría determinar la naturaleza de las astropartículas.

Más de 500 investigadores pertenecientes a más de 90 instituciones de 19 países están involucrados en el observatorio Pierre Auger, que opera hace 15 años en el sur de la provincia.

El representante argentino de Pierre Auger, Alberto Etchegoyen, anticipó a la Agencia CTyS que “en marzo próximo se acordará que el observatorio continúe detectando astropartículas hasta 2023, siendo que estaba previsto su desmantelamiento en diciembre de 2015”.

Para extender su vida útil, la colaboración internacional decidió mejorar la tecnología de Auger. “Hace pocos días, realizamos la presentación formal de la propuesta concebida y diseñada enteramente en el país y liderada por ITEDA, que consiste en ubicar 1.600 paneles de 30 m2 cada uno bajo tierra, con el objetivo de detectar los muones ocasionados tras el arribo de un rayo cósmico”, precisó el doctor Etchegoyen, también director del ITEDA.

Este proyecto ambicioso, que buscará cubrir una superficie de 3.000 km2, se llama AMIGA-Grande y se apoya sobre los hombros del proyecto AMIGA (Auger Muon and Infill for the Ground Array), que también fue ideado en el ITEDA y cuyos prototipos ya están en funcionamiento.

Cuando el proyecto AMIGA esté concluido, habrá 61 detectores de muones en un espacio de 25 km2. Por lo pronto, hay siete de dichos detectores funcionando y sus resultados son prometedores. En ese marco, el ITEDA propuso ir por más y cubrir los 3.000 km2 del Pierre Auger.

AMIGA-Grande es una de las cinco propuestas presentadas a la colaboración internacional de Pierre Auger para mejorar dicho observatorio. A mediados del año próximo, un comité interno seleccionará la propuesta ganadora.

Buscando el origen de los rayos

Los rayos cósmicos más potentes nacen en inmensos agujeros negros y salen disparados a una velocidad cercana a la de la luz; recorren galaxias, modifican relativamente sus trayectorias por campos magnéticos y, algunos de ellos, arriban a la Tierra tras un viaje sideral.

Pero nuestra atmósfera opera como barrera para estas astropartículas, las cuales chocan contra este paraguas natural y se produce una lluvia de miles de millones de nuevas partículas y de fotones que no son observables a la vista, pero que pueden ser estudiadas a través de instrumentos diseñados con ese fin.

Por ello, al sur de Mendoza hay 1.600 tanques, distribuidos en una superficie de 3.000 km2, capaces de detectar y medir el enjambre de partículas secundarias que llega a la superficie terrestre.

A partir del análisis de estos datos, los físicos del Pierre Auger reconstruyen la energía y la dirección de arribo que tenía el rayo cósmico primario, con el objetivo de determinar de qué galaxia provino y cuál fue su origen.

Si bien el observatorio Pierre Auger es el mejor instrumento que existe en la actualidad para estudiar los rayos cósmicos de alta energía, su sistema de detección fue diseñado hace 15 años y la tecnología evolucionó a pasos agigantados desde entonces.

En este sentido, Alberto Etchegoyen precisó que “el nuevo sistema va a tener dos mejoras: una relacionada con la electrónica de los tanques, que va a ser más rápida y más sofisticada; y otra dedicada exclusivamente a resolver la naturaleza química del rayo cósmico primario, es decir, conocer cuál era su núcleo atómico”.

Para identificar la naturaleza química de las astropartículas, la propuesta argentina se basa en los progresos ya logrados en el proyecto AMIGA, cuyos 61 detectores se ubicarán cerca del cerro Coihueco, en la zona central oeste de la extensa área que cubren los tanques del Pierre Auger.

Al lado de cada uno de ellos, se entierran paneles de 30 m2 divididos en tres segmentos de 10 m2 cada uno, a dos metros de profundidad. “Estos detectores están íntimamente relacionados a la labor de los tanques, los cuales nos avisan que una lluvia cósmica llegó a la superficie”, explicó el físico Federico Sánchez, miembro de ITEDA y a cargo del análisis de datos del proyecto AMIGA.

En Argentina, en primera instancia, se construye la electrónica y la mecánica de los paneles de AMIGA. Posteriormente, se le da vida a esos instrumentos a través de programas de cómputo que permiten que se transmitan las señales detectadas en el campo hasta el edificio central, donde se almacenan los datos y se analizan.

De Auger a la Máquina de Dios

Los muones son partículas con características semejantes a los electrones, pero con una masa mucho mayor, lo que les permite atravesar grandes cantidades de material sin ser detenidos. “Por ello, los detectores de AMIGA están enterrados a dos metros bajo tierra, porque hasta allí solamente llegan los muones”, aseveró Sánchez.

Al estudiar estas partículas se puede reconocer la naturaleza del rayo cósmico primario, es decir, se puede distinguir si su núcleo es un hierro, un protón u otra partícula. Y la composición del rayo cósmico es clave para poder interpretar su origen.

Por ejemplo, si se determina que una partícula primaria es un núcleo de hierro, sería difícil saber de qué galaxia provino, debido a que este núcleo atómico es un elemento muy pesado, con mucha carga eléctrica y, por ello, se desvía en diversas direcciones al atravesar campos magnéticos en su trayecto hasta la Tierra.

En cambio, si el rayo cósmico fuese un protón con poca carga, se habría mantenido bastante fiel a la dirección original; así, se podría reconocer el agujero negro súper masivo que lo produjo.

Si se dispone únicamente de las señales que proveen los tanques de Pierre Auger, que son sensibles a todas las partículas secundarias, es muy difícil discernir si la partícula original era un hierro, un protón u otra partícula, porque en ambos casos se genera una lluvia que contiene miles de electrones y fotones, y ver todo mezclado es dificultoso.

Sin embargo, analizando solamente el canal de muones, sin todas las otras partículas, se resuelve este problema, porque cada tipo de rayo cósmico produce un número determinado de muones.

Etchegoyen agregó que reconocer la naturaleza de la astropartícula puede dar otro aporte al conocimiento: “Nos permitirá saber más sobre las interacciones de las partículas elementales a altas energías”.

De hecho, los rayos cósmicos poseen una energía muy superior a las logradas por el hombre en la llamada Máquina de Dios, por lo que Auger y AMIGA permitirían estudiar las interacciones elementales entre partículas en las condiciones más extremas.

El proyecto argentino para el futuro del observatorio

Se presentaron cinco proyectos para mejorar la tecnología de Pierre Auger. La colaboración internacional decidirá ahora a cuál les dará lugar y brindará su apoyo.

Al respecto, Federico Sánchez detalló que “en caso de que la colaboración dé el visto bueno para que sigas avanzando en tu propuesta, debés hacer un prototipo y ponerlo a prueba para ver si cumple con lo que dijiste que querías hacer; entonces, te hacen otra revisión global muy exhaustiva y recién después viene la aprobación definitiva”.

Si todo marcha bien con el prototipo, se comienza la producción en masa. “En 2006, nos aprobaron hacer los prototipos para el proyecto AMIGA, que son los siete detectores que ya hemos instalado. Nos llevó seis años construirlos, trasladarlos y ensamblarlos en el campo, como así también integrarlos con el sistema de adquisición del observatorio Auger”, contó Sánchez. Y agregó: “El prototipo de AMIGA está operando y eso nos ha dado gran prestigio en la colaboración y nos ha permitido proponer un proyecto aún más grande”.

El observatorio Pierre Auger es el de mayor prestigio en su área. En este sentido, Sánchez valoró la importancia de que “la comunidad internacional apoye el proyecto AMIGA, que tiene un costo total de dos millones de dólares y que fue pensado y liderado por un grupo de investigadores argentinos y que, al día de hoy, representa uno de los candidatos para extender el futuro del observatorio hasta 2023”.

Los tanques detectores

Los 1.600 detectores de rayos instalados hoy son tanques llenos de agua híper pura con cámaras que detectan el efecto Cherenkov, que se produce cuando las partículas ingresan en dichos tanques.

Este efecto es una radiación de tipo electromagnético que se genera cuando las partículas atraviesan determinados medios a velocidades superiores a las de la luz (en ese medio).
 
En el espacio vacío, ninguna partícula alcanza velocidades superiores a la de la luz, pero esto sí es posible en el agua, por ejemplo. El físico Pavel Cherenkov fue el primero en caracterizar este fenómeno y, por ello, recibió el Nobel de Física en 1958.