O Observatório Pierre Auger celebra seu 20º aniversário

Imagem composta de Centauro A, uma das galáxias de núcleo ativo mais próximas de nós com um buraco negro central e jatos de plasma que podem acelerar os raios cósmicos. X-ray: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al.; Submillimeter: MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al.; Optical: ESO/WFI

Os científicos do Observatório Pierre Auger, o maior detector de raios cósmicos do mundo, comemorarão o 20º aniversário do Observatório em Malargüe, província de Mendoza, Argentina, de 14 a 16 de novembro de 2019. As celebrações começarão com um simpósio que incluirá apresentações sobre as origens do projeto (o CNRS é um dos fundadores) e apresentará as áreas de pesquisa cobertas pelo Observatório. No dia 16 de novembro, será realizada uma cerimônia para destacar o papel do Observatório Pierre Auger e reunir personalidades nacionais e internacionais que apoiaram o projeto.

O Observatório Pierre Auger abrange uma área de 3000 km2 nos pampas argentinos, a 35º latitude sul e 65º longitude oeste, ao pé da Cordilheira dos Andes, perto da cidade de Malargüe. Ele é projetado para estudar raios cósmicos nas mais altas energias. São as partículas mais poderosas do Universo: sua energia excede 1020 (centenas de bilhões de bilhões) volts de elétron (eV). Em comparação, as partículas estudadas nos maiores aceleradores, incluindo as aceleradas pelo LHC no CERN em Genebra, são dez milhões de vezes menos energéticas. De onde é que eles vieram? Qual é a sua natureza? Como é que eles alcançam essas energias extremas? O objectivo do Observatório Pierre Auger é dar resposta a estas questões.

O estudo dos raios cósmicos de energia ultra-alta é difícil porque envolve desafios experimentais. Com efeito, a estas energias, o seu fluxo é demasiado baixo para permitir a sua detecção directa acima da atmosfera. Estas partículas cósmicas são portanto observadas analisando as cascatas de bilhões de partículas secundárias que elas geram na atmosfera, conhecidas como “grandes pulverizações atmosféricas”. Seu fluxo não excede 1/km2 /ano além de 1019 eV, é necessário cobrir superfícies de detecção gigantescas para coletar um grande número de eventos.

Representação artística de uma cascata de partículas geradas por um raio cósmico de energia ultra-alta. Credit: ASPERA/Novapix/L.Bret

O Observatório Pierre Auger, nomeado em homenagem ao físico francês que estudou as grandes pulverizações atmosféricas desde 1938, é operado pela colaboração homônima, reunindo mais de 400 cientistas de 17 países. Sua construção começou em 2000. A planície dos planaltos altos da Pampa Amarilla ao redor de Malargüe é uma localização ideal, desfrutando de uma atmosfera clara; a altitude de cerca de 1400 m permite detectar roldanas antes de sua extinção. Além do seu tamanho excepcional, o Observatório combina duas técnicas complementares para a detecção de grandes pulverizações atmosféricas.

  • uma rede de 1660 detectores de partículas, tanques de efeito Cherenkov, cada um com 12 toneladas de água, para recolher amostras do perfil lateral da pulverização, ou seja, o número de partículas que passam por uma determinada superfície a uma certa distância do núcleo da pulverização,
  • 27 telescópios de fluorescência em torno da rede, detectando a baixa luz ultravioleta emitida pelas moléculas de azoto na atmosfera à medida que passam através das roldanas, a fim de amostrar o seu perfil longitudinal, ou seja, o número de partículas em função da altitude.

Um dos edifícios alberga 6 telescópios de fluorescência. ©  CNRS  Photothèque  /  Céline  ANAYA- GAUTIER

A utilização combinada destes dois sistemas de detecção permitiu ao Observatório Pierre Auger dar um salto qualitativo e quantitativo, colocando-o na vanguarda da investigação neste domínio de estudo.  Após cerca de quinze anos de funcionamento, as análises beneficiam de estatísticas importantes e de um conhecimento cada vez mais preciso das medições efectuadas. Isto permite obter, hoje, resultados notáveis e avanços científicos na compreensão dos fenómenos de alta energia relacionados com os processos mais violentos do Universo.

A medição do espectro de raios cósmicos realizada pelo Observatório Pierre Auger abrange uma vasta gama de energias, desde 3 1016 a mais de 1020 eV. Várias características foram detectadas, como a súbita supressão do fluxo para uma energia superior a 5 1019 eV. Os limites dos fluxos de fotões e neutrinos de energia ultra-alta eliminaram a maioria dos modelos onde os raios mais energéticos são os produtos da diminuição (hipotética) de partículas muito maciças. O estudo da distribuição das direções de chegada dos raios cósmicos forneceu evidências de que os mais energéticos vêm de além da nossa galáxia, e os muitos resultados recentes oferecem esperança para uma melhor compreensão da origem dessas partículas cósmicas de energia incrivelmente alta. No entanto, as suas fontes ainda não foram formalmente identificadas.

Um detector de partículas Cherenkov (tanque de água com 3,6 m de diâmetro) © CNRS Photothèque / Céline ANAYA-GAUTIER

O projeto AugerPrime, concebido para melhorar o desempenho do Observatório, dará as respostas necessárias a esta questão. O elemento chave é a adição de detectores de cintilação em cada tanque de água. Para processar a informação fornecida por estes dois tipos de detectores, uma nova electrónica de aquisição e controlo está a ser desenvolvida pela colaboração Pierre Auger e pelos laboratórios envolvidos (com excepção dos cartões, construídos numa empresa privada). Os novos detectores estão sendo instalados no local do Observatório, vários já estão em operação.

Telescópio de fluorescência, com seu espelho de 13 m2 e câmera de 440 pixels composta por fotomultiplicadores © CNRS Photothèque / Céline ANAYA- GAUTIER

Inicialmente, os laboratórios do CNRS do IN2P3 e do INSU estiveram envolvidos no projecto mas, nos últimos quinze anos, apenas os laboratórios do IN2P3 estiveram envolvidos: o grupo LPNHE tem estado particularmente activo desde a fase de criação do projecto. A França desempenhou claramente um papel importante na concepção e construção deste observatório atípico através do PCC Collège de France (mais tarde rebaptizado de APC) e do LTFB (lNSU) no início do projecto e depois com a LAL e o IPNO em 2000.

Em particular, os laboratórios franceses realizaram a maior parte da electrónica para os detectores de Cherenkov, bem como os algoritmos e programas informáticos essenciais ao funcionamento do Observatório. Desde o início do projeto, o CC-IN2P3 tornou-se o local de armazenamento oficial dos dados da Auger e a primeira plataforma de simulação. Os laboratórios LPSC e Subatech aderiram à colaboração em 2006 e 2007, respectivamente, e assumiram importantes responsabilidades no controlo e monitorização do funcionamento de todo o Observatório e na construção da primeira rede de detecção de radiações no local. Atualmente, três laboratórios IN2P3 são membros da colaboração Pierre Auger: LPNHE, IPNO, LPSC.  Os dois últimos estão activamente envolvidos no projecto AugerPrime, tanto na construção de detectores de cintilação como no desenvolvimento de novos equipamentos electrónicos.

Os investigadores do IN2P3 sempre estiveram fortemente envolvidos na análise e interpretação dos dados e desempenharam um papel muito importante na obtenção de resultados de elevada qualidade. Os objectivos físicos dos investigadores franceses concentram-se naqueles que motivaram a sua actividade de investigação ao longo dos últimos 15 anos. Prosseguem os seus estudos sobre a distribuição das direcções de chegada dos raios cósmicos e sobre o seu espectro energético por toda a gama de energias acessíveis e optimizarão a utilização da informação disponibilizada pela adição dos novos detectores.

LHC : Large Hadron Collider

CERN : Laboratório Europeu de Física de Partículas

LPNHE : Laboratório de Física Nuclear e Alta Energia

APC : Laboratório Astro partículas & Cosmologia

LAL : Laboratório de Acelerador Linear

IPNO : Instituto Orsay de Física Nuclear

CC-IN2P3 : Centro de computação do IN2P3

LPSC : Laboratoire de Physique Subatomique & Cosmologie

Subatech : Laboratório de Física Subatómica e tecnologias afins

LTFB : Laboratório de Frequência e Frequência de Besançon

 

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https://www.auger.org/index.php/observatory/20th-anniversary