El origen de los rayos cósmicos se estudia en el observatorio más grande del mundo, que está en la Argentina
Científicos e ingenieros del Proyecto Pierre Auger instalaron nuevos detectores para conocer el origen de las partículas cósmicas. Como es el trabajo en el observatorio de Malargüe, en Mendoza
Parece ciencia ficción, pero Diego Maradona, el barrilete cósmico, “ataja” rayos cósmicos en un terreno algo anegadizo del sur de Mendoza, en las afueras de Malargüe. También lo hacen Charly García, Spinetta, John Lennon, Niels Bohr, Planck, Matrix, Manucho, Disneyland, Las Leñas, Balseiro, James Cronin, Zeus, Marisol y el resto de los 1.600 tanques o detectores que cubren una geografía que equivale a 16 veces la superficie de la Ciudad de Buenos Aires, cada uno con un nombre informal que los identifica (muchos de ellos, votados por la propia comunidad) y que pueden leerse en un gran plano en las instalaciones centrales del Observatorio de Rayos Cósmicos Pierre Auger, el más extenso del mundo.
Por estos días, los científicos, ingenieros y técnicos que integran el Proyecto Pierre Auger, del que participan un centenar de instituciones de 18 países, están de celebración: completaron la etapa de ensamblado e instalación de cierto tipo de detector, los centelladores plásticos de superficie o SSD, que representan un método alternativo de medición para conocer mejor la composición y el origen de los rayos cósmicos. Y que son una pieza clave del proceso de actualización que, completado a lo largo del próximo año, va a prolongar la vida útil del Observatorio y potenciar su aspiración de ayudarnos a comprender nuestro universo.
El Observatorio Auger fue inaugurado oficialmente en 2008 con una inversión de 53 millones de dólares. “Cuando se lo diseñó y construyó, se planificó para operar hasta 2015. Llegada esa fecha, se comprobó que sería conveniente no sólo extender en el tiempo su operación, sino también incorporar mejoras que incrementen cualitativamente la calidad de los datos”, explica a Infobae el físico Ingo Allekotte, gerente de Proyecto del Observatorio y también del Área de Investigación y Aplicaciones No Nucleares de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA).
“Todas las mejoras tenemos previsto tenerlas operativas a fines del año que viene. Es una inversión adicional de 16 millones de dólares, con aportes de todos los países participantes del proyecto”, agrega Allekotte.
Lluvia de partículas
Los rayos cósmicos son enigmáticas partículas que llegan a la Tierra desde el espacio exterior en todas las direcciones. Unas diez mil partículas bombardean por segundo cada metro cuadrado de las capas superiores de la atmósfera, pero una fracción más pequeña, de alta energía, impacta con una frecuencia mucho menor, en el orden de una partícula por kilómetro cuadrado por año. Y otros aún más codiciados por los científicos, los de ultra alta energía, pueden caer en esa unidad de superficie apenas entre una y cuatro veces en un siglo.
Para estudiarlos, uno puede poner detectores en un kilómetro cuadrado y esperar 100 años. O puede esparcir detectores en un área de 3.000 kilómetros cuadrados y acortar el tiempo en que puede captarlos: eso es lo que hizo el Observatorio Pierre Auger, explica a Infobae el ingeniero Fabián Gobbi, coordinador de los módulos SSD y “observer” de los Detectores de Superficie del Observatorio.
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Cuando los rayos primarios, que son núcleos de átomos, llegan del exterior con mucha energía y colisionan con la atmósfera, generan una lluvia o cascada de miles de millones de partículas secundarias, un fenómeno descubierto por el físico francés Pierre Auger en 1938.
Los rayos cósmicos más energéticos, que son los que interesan al Observatorio y están formados por núcleos más pesados que el del hidrógeno (protón), tienen cientos de millones de veces más energía que las partículas producidas en el acelerador más potentes construido por los humanos.
Cómo se observan los rayos cósmicos
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Desde su inauguración, el Observatorio ha captado esas lluvias cósmicas y ha intentado reconstruir la energía y dirección de los rayos primarios que les dieron origen mediante dos herramientas. Una son los 1.600 detectores de superficie o tanques con 12.000 litros de agua ultrapura que captan la luz emitida cuando partículas cargadas cruzan el líquido a una velocidad mayor a la de la luz en ese medio, un fenómeno conocido como radiación Cherenkov y que es análogo a la explosión que se produce cuando un objeto supera la velocidad del sonido.
La otra son 24 telescopios de fluorescencia, repartidos en cuatro edificios, que “visualizan” el 0,005% de la energía de un rayo cósmico que se convierte en luz fluorescente cuando las partículas surcan la atmósfera (aunque para detectarlos se requiere que caigan durante noches sin luna).
La combinación de ambos instrumentos de medición aporta mejor información que cada uno de ellos por separados. “Es como si un ciego palpara un teléfono celular y otra persona lo pudiera ver a la distancia, pero sin tocarlo”, compara Gobbi. Entre otros hallazgos, los científicos del Pierre Auger lograron deducir, mediante la observación de miles de rayos cósmicos, que estas partículas se originan fuera de nuestra Vía Láctea, según un artículo en la revista Science firmado por más de 400 autores en septiembre de 2017.
Pero, aun así, era necesaria una actualización del equipamiento para aumentar la calidad y precisión de los datos. “La idea es tener una mejor resolución para identificar la composición de los rayos primarios”, destaca a Infobae el físico Ricardo Sato, coordinador de Operaciones Científicas del Observatorio, graduado y doctorado en Brasil y radicado en Malargüe desde 2008.
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“Sabemos que los rayos cósmicos viajan durante millones de años, pero que no provienen de regiones extremadamente lejanas del universo. Conocer bien su composición nos daría más seguridad de que son verdaderamente extragalácticos”, puntualiza Sato.
Según explica Allekotte, quien también es profesor en el Instituto Balseiro de Bariloche, algunas las preguntas más importantes que tiene que resolver el Observatorio son: ¿Cuáles son las fuentes de los rayos cósmicos de ultra alta energía? ¿Cómo es el mecanismo de propagación por el cosmos? ¿Por qué no hay rayos cósmicos por arriba de una cierta energía? ¿Cómo son las interacciones entre sí de las partículas de la cascada que se produce al chocar el rayo primario con las moléculas del aire?
“Para resolver todas estas cuestiones, es importante poder medir, con la mayor precisión posible y dentro de lo posible caso por caso (y no en promedio), la composición del rayo cósmico primario. Es decir, saber si es un protón, un núcleo de helio, un núcleo de masa intermedia como nitrógeno o carbono o incluso algo más pesado, como silicio o hierro”, detalla.
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Una clave para llegar a ese objetivo es discriminar la proporción de dos tipos de partículas cargadas de la “lluvia” de rayos secundarios que llegan a la superficie de la Tierra, los electrones (u otras partículas electromagnéticas) y los muones, que serían como “electrones gorditos” con una mase 200 veces superior, según los describe Gobbi con una sonrisa.
Para eso, se ensamblaron e instalaron sobre la mayoría de los tanques los detectores centelladores de 4 metros cuadrados, especie de “techitos” que emiten una tenue luz cuando los atraviese la lluvia cósmica, señal que registran fotodetectores muy sensibles.
“La lluvia de partículas atraviesa primero el centellador y luego el detector Cherenkov (el tanque con agua). Con la información de ambos, podemos saber cuál es la relación de muones y electrones, y a partir de ahí tenemos un conocimiento de la composición del rayo primario”, explicita Gobbi.
Haciendo una analogía burda, sería como tener un camión con arena y canto rodado, grafica Allekotte. El tanque de agua sería el equivalente a una balanza que pesa todo el camión, mientras que los centelladores serían como un tamiz que permite separar la arena y pesar la arena. Al hacer la diferencia, uno sabe cuánto canto rodado hay en el camión.
Una tarea titánica
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La ubicación del Observatorio en los alrededores de Malargüe reúne varias características apropiadas para un emplazamiento de esta naturaleza, incluyendo la baja contaminación ambiental y lumínica, precipitaciones poco frecuentes y un terreno relativamente plano a una altura que ronda los 1400 metros sobre el nivel del mar.
Pero, en una extensión tan amplia, en terrenos surcados por salitrales, lagunas y cortaderas que destrozan cubiertas, la tarea de instalación de los nuevos detectores ha sido titánica. Cada vez que salía el camión, recorría alrededor de 250 a 270 kilómetros diarios y los ingenieros y técnicos podían colocar hasta un máximo de seis centelladores.
Siempre respetuosos del ecosistema y con gestos de diplomacia empírica para tratar con los dueños de los campos donde se ubican los tanques. “Si a uno le invitan un mate, aunque a uno no le guste, hay que tomar al menos uno”, sonríe Miguel Ángel Salvadores, un “todoterreno” del Observatorio que trabaja en tareas de coordinación de los módulos SSD y mantenimiento de los detectores de superficie, entre otras funciones.
Y el trabajo continúa. El plan de actualización del Pierre Auger, conocido en la jerga interna como Auger PRIME, también contempla la instalación de alrededor de 70 centelladores subterráneos que van a contar muones (con gran poder de penetración en la materia), por lo cual se requiere cavar pozos de 5 metros de profundidad junto a los tanques para colocar tres detectores de unos 10 metros cuadrados. Se puede colocar un conjunto por semana y ya llevan completados 26, dice a Infobae el responsable del proyecto (llamado “AMIGA”), el ingeniero Nicolás Leal.
