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El Observatorio Pierre Auger

El Observatorio Austral de Malargüe

Primer detector de superficie colocado en Pampa Amarilla

Una nueva ventana hacia el Universo esta tomando forma sobre la vasta planicie conocida como Pampa Amarilla, en el oeste argentino. Alli, el Observatorio Pierre Auger ha comenzado sus estudios, relacionados con las partículas más energéticas del universo; esas extrañas mensajeras podrían contar una importate historia acerca de sus orígenes. Hasta la fecha, los experimentos existentes no han podido descifrar el mensaje y su existencia se ha convertido en parte de un rompecabezas. El Observatorio Auger tratará de revelar el enigma asociado con estas partículas, mediante un experimento sin precedentes.

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 Auger esta diseñado para recolectar los datos necesarios para resolver ese rompecabezas.

Para apreciar cuan energeticos son estos rayos cósmicos, basta con considerar que los mejores aceleradores de partícula en la tierra alcanzan energías apenas mayores que 1012 eV. Las partículas detectadas por el observatorio Auger tienen energías por lo menos 10.000.000 veces mayores. La naturaleza dota de alguna manera a estas partículas individuales con energías macroscópicas, y los astrofísicos del Observatorio Pierre Auger se preponen descubrir cómo.

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 siglo! 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

La fotografía presenta la instalación del primero de los 1600 tanques de agua en el observatorio Pierre Auger. Cada tanque con capacidad para 12000 litros de agua hiperpura, es un detector de partículas. En el interior es totalmente oscuro, excepto cuando las partículas de la cascada atmosferica producida por el rayo cósmico pasan a través de él. 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 5 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 secundarias de Auger también son medidas por los 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 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.

El observatorio Pierre Auger se está construyendo en la provincia de Mendoza, Argentina. El diseño cuenta con un sitio similar que será construido en el hemisferio norte. Esto permitira la exposición casi uniforme a la esfera celeste. Si las fuentes de los rayos cósmicos se pueden identificar por cumulos en las direcciones de la llegada, entonces el observatorio Auger estudiará las características de las fuentes con igual sensibilidad donde quiera que estén en el cielo. Por otra parte, si las fuentes discretas no se encuentran, la cobertura casi uniforme del cielo completo será esencial para determinar si las direcciones de la llegada del rayo cósmico son isotrópicas o caracterizadas por los patrones a gran escala.

Jim Cronin y Alan Watson fueron los primeros en proponer el concepto del proyecto Auger en 1992. Más de 300 físicos, de 55 instituciones, colaboran en la construcción del sitio sur. El presupuesto de la construcción de aproximadamente 50 millones de dólares es compartido por los 17 países que participan, cada uno proporciona una parte del costo total.