El Observatorio Pierre Auger celebra su 20º aniversario

Imagen compuesta de Centauro A, una de las galaxias núcleo activo más cercanas a nosotros con un agujero negro central y chorros de plasma que pueden acelerar los rayos cósmicos. X-ray: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al.; Submillimeter: MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al.; Optical: ESO/WFI

Los científicos del Observatorio Pierre Auger, el detector de rayos cósmicos más grande del mundo, celebrarán el 20º aniversario del Observatorio en Malargüe, provincia de Mendoza, Argentina, del 14 al 16 de noviembre de 2019. Las celebraciones se iniciarán con un simposio que incluirá presentaciones sobre los orígenes del proyecto (el CNRS es uno de los fundadores) y presentará las áreas de investigación cubiertas por el Observatorio. El 16 de noviembre se celebrará una ceremonia para destacar el papel del Observatorio Pierre Auger y reunir a las personalidades nacionales e internacionales que han apoyado el proyecto.

El Observatorio Pierre Auger cubre un área de 3000 km2 en la pampa argentina, a 35º de latitud sur y 65º de longitud oeste, al pie de la cordillera de los Andes, cerca de la ciudad de Malargüe. Está diseñado para estudiar los rayos cósmicos con las energías más elevadas. Son las partículas más poderosas del Universo: su energía excede los 1020 (cientos de miles de millones de miles de millones) de electrones voltios (eV). En comparación, las partículas estudiadas en los mayores aceleradores, incluidas las aceleradas por el LHC en el CERN de Ginebra, son diez millones de veces menos energéticas. ¿De dónde salieron? ¿Cuál es su naturaleza? ¿Cómo llegan a estas energías tan extremas? El objetivo del Observatorio Pierre Auger es dar respuesta a estas preguntas.

El estudio de los rayos cósmicos de energía ultra-alta es difícil porque implica desafíos experimentales. De hecho, a estas energías, su flujo es demasiado bajo para permitir su detección directa por encima de la atmósfera. Estas partículas cósmicas se observan, por lo tanto, analizando las cascadas de miles de millones de partículas secundarias que generan en la atmósfera, conocidas como «grandes pulverizaciones atmosféricas». Su caudal no supera 1/km2 /año más allá de 1019 eV, es necesario cubrir superficies de detección gigantescas para recoger un gran número de eventos.

Representación artística de una cascada de partículas generadas por un rayo cósmico de ultra-alta energía. Crédito: ASPERA/Novapix/L.Bret

El Observatorio Pierre Auger, que lleva el nombre del físico francés que estudió los grandes aerosoles atmosféricos desde 1938, es operado por la colaboración del mismo nombre, que reúne a más de 400 científicos de 17 países. Su construcción comenzó en el año 2000. La llanura de la Pampa Amarilla alrededor de Malargüe es un lugar ideal, disfrutando de una atmósfera clara; la altitud de unos 1400 m permite detectar las gavillas antes de su extinción. Además de su tamaño excepcional, el Observatorio combina dos técnicas complementarias para la detección de grandes pulverizaciones atmosféricas.

  • una red de 1660 detectores de partículas, tanques de efecto Cherenkov, cada uno de los cuales contiene 12 toneladas de agua, para muestrear el perfil lateral de la pulverización, es decir, el número de partículas que pasan a través de una superficie determinada a una cierta distancia del núcleo de la pulverización,
  • 27 telescopios de fluorescencia que rodean la red, detectando la luz ultravioleta baja emitida por las moléculas de nitrógeno en la atmósfera a su paso por las gavillas, para muestrear su perfil longitudinal, es decir, el número de partículas en función de la altitud.

Uno de los edificios que alberga 6 telescopios de fluorescencia. ©  CNRS  Photothèque  /  Céline  ANAYA- GAUTIER

La utilización combinada de estos dos sistemas de detección ha permitido al Observatorio Pierre Auger dar un salto cualitativo y cuantitativo que lo sitúa a la vanguardia de la investigación en este campo de estudio.  Después de unos quince años de funcionamiento, los análisis se benefician de importantes estadísticas y de un conocimiento cada vez más preciso de las mediciones realizadas. Esto hace posible obtener, hoy en día, resultados notables y avances científicos en la comprensión de los fenómenos de alta energía relacionados con los procesos más violentos del universo.

La medición del espectro de rayos cósmicos realizada por el Observatorio Pierre Auger cubre un amplio rango de energía, desde 3 1016 hasta más de 1020 eV. Se detectaron varias características, como la supresión repentina del flujo para una energía superior a 5 1019 eV. Los límites de los flujos de fotones y neutrinos de energía ultra-alta han eliminado la mayoría de los modelos en los que los rayos más energéticos son el producto de la disminución de partículas (hipotéticas) muy masivas. El estudio de la distribución de las direcciones de llegada de los rayos cósmicos ha proporcionado evidencia de que los más energéticos provienen de más allá de nuestra galaxia, y los muchos resultados recientes ofrecen esperanza para una mejor comprensión del origen de estas partículas cósmicas de energía increíblemente alta. Sin embargo, sus fuentes aún no han sido formalmente identificadas.

Un detector de partículas Cherenkov (depósito de agua de 3,6 m de diámetro)© CNRS Photothèque / Céline ANAYA-GAUTIER

El proyecto AugerPrime, diseñado para mejorar el rendimiento del Observatorio, proporcionará las respuestas necesarias a esta pregunta. El elemento clave es la adición de detectores de centelleo en cada tanque de agua. Para procesar la información suministrada por estos dos tipos de detectores, se está desarrollando una nueva electrónica de adquisición y control por parte de la colaboración de Pierre Auger y de los laboratorios implicados (a excepción de las tarjetas, construidas en una empresa privada). Los nuevos detectores se están instalando en el sitio del Observatorio, varios ya están en funcionamiento.

Telescopio de fluorescencia, con un espejo de 13 m2 y una cámara de 440 píxeles compuesta por fotomultiplicadores. © CNRS Photothèque / Céline ANAYA- GAUTIER

Inicialmente, los laboratorios del CNRS del IN2P3 y del INSU participaron en el proyecto pero, durante los últimos quince años, sólo han participado los laboratorios del IN2P3: el grupo LPNHE ha sido especialmente activo desde la fase de creación del proyecto. Francia desempeñó claramente un papel importante en el diseño y la construcción de este observatorio atípico a través del PCC Collège de France (posteriormente rebautizado como APC) y el LTFB (lNSU) al inicio del proyecto y luego con el LAL y la IPNO en 2000.

En particular, los laboratorios franceses han realizado la mayor parte de la electrónica de los detectores de Cherenkov, así como los algoritmos y programas informáticos esenciales para el funcionamiento del Observatorio. Desde el inicio del proyecto, el CC-IN2P3 se convirtió en el lugar de almacenamiento oficial de los datos de Auger y en la primera plataforma de simulación. Los laboratorios LPSC y Subatech se unieron a la colaboración en 2006 y 2007 respectivamente y asumieron importantes responsabilidades en el control y la supervisión del funcionamiento de todo el Observatorio, así como en la construcción de la primera red de detección de radiaciones in situ. Actualmente, tres laboratorios IN2P3 son miembros de la colaboración Pierre Auger: LPNHE, IPNO, LPSC.  Los dos últimos participan activamente en el proyecto AugerPrime, tanto en la construcción de detectores de centelleo como en el desarrollo de nueva electrónica.

Los investigadores del IN2P3 siempre han estado muy involucrados en el análisis y la interpretación de los datos y han desempeñado un papel muy importante en la obtención de resultados de alta calidad. Los objetivos físicos de los investigadores franceses se centran en aquellos que han motivado su actividad investigadora durante los últimos 15 años. Continúan sus estudios sobre la distribución de las direcciones de llegada de los rayos cósmicos y de su espectro de energía en todo el rango de energía accesible, y harán un uso óptimo de la información disponible gracias a la adición de los nuevos detectores.

 

LHC : Large Hadron Collider

CERN : Laboratorio Europeo de Física de Partículas

LPNHE : Laboratorio de Física Nuclear y Alta Energía

APC : Laboratorio de Astropartículas y Cosmología

LAL : Laboratorio de Aceleradores Lineales

IPNO : Instituto de Física Nuclear de Orsay

CC-IN2P3 : Centro de cálculo IN2P3

LPSC : Laboratorio de Física Subatómica y Cosmología

Subatech : Laboratorio de Física Subatómica y tecnologías relacionadas

LTFB : Laboratorio de Frecuencia y Tiempo de Besançon

 

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