El Laboratorio Nacional HAWC de Rayos Gamma

En esta foto podemos observar el observatorio HAWC y los pequeños detectores satelitales o outriggers con un avance de 80 por ciento en su instalaciónHAWC, por sus siglas en inglés (High Altitud Water Cherenkov), es un observatorio de rayos gamma y rayos cósmicos, situado en el volcán Sierra Negra, a 4 mil 100 m.s.n.m. dentro del Parque Nacional Pico de Orizaba. HAWC es el sucesor del experimento “Milagro” y está diseñado para tener un gran campo de visión y ser sensible a rayos gamma con una energía entre 100 GeV y 100 TeV. El diseño actual de HAWC contempló la instalación de 300 detectores, cada uno de 5 metros de altura por 7.3 m de diámetro, formando un arreglo compacto. Dentro de cada detector hay cuatro fotomultiplicadores, que convierten la luz recibida en pulsos eléctricos, sumergidos en 188,000 litros de agua ultra-pura, para colectar la radiación Cherenkov producida por las partículas cargadas que entran o se crean dentro del detector.

Los rayos gamma son parte del espectro electromagnético, como la luz, los rayos X, la luz ultravioleta, microondas, etcétera, dentro de esta radiación son los que tienen la mayor energía posible. Los rayos gamma son absorbidos por la atmósfera y su estudio astrofísico fue posible hasta el desarrollo de los telescopios espaciales.

Po otra parte, los rayos cósmicos son partículas elementales o núcleos de átomos que nos llegan del espacio, 90 por ciento de los rayos cósmicos son protones, el resto son núcleos de hierro, carbono, silicio, etcétera. Desde el punto de vista astrofísico, su existencia indica que, en nuestra galaxia, y más allá, hay objetos celestes que funcionan como aceleradores de partículas de una potencia extraordinaria. Debido a que son partículas cargadas inmersas en el campo magnético de la Vía Láctea, los rayos cósmicos no viajan en línea recta y la dirección de la cual los vemos llegar no indica dónde se originaron. Para saber qué objetos son los que producen rayos cósmicos es necesaria al menos alguna evidencia indirecta. Hasta donde sabemos, los procesos físicos que dan lugar a partículas de muy alta energía seguramente deben producir también rayos gamma, estos últimos sí viajan en línea recta, sin ser afectados por el campo magnético de nuestra galaxia. Es decir, los objetos que emiten rayos gamma seguramente producen rayos cósmicos.

Por fortuna para los seres vivos en la Tierra, los rayos gamma y rayos cósmicos no llegan a la superficie terrestre, son bloqueados por nuestra atmósfera. Los procesos físicos involucrados son muy complejos, pero de una manera simplificada podemos pensar que, en cuanto uno de estos rayos entra en la atmósfera, esta “partícula” (recordemos que toda la energía y materia se comporta como onda o como partícula) se desintegra en las capas altas de la atmósfera terrestre y se divide en varios pedazos, de hecho, en otras partículas. Estas nuevas partículas viajan un poco en la atmósfera y vuelven a interaccionar con otros núcleos y vuelven a dividirse, este proceso ocurre muchas veces, de tal forma que, a unos seis mil metros sobre el nivel del mar, ya hay decenas o cientos de miles de nuevas partículas originadas por el rayo gamma o rayo cósmico original. Al resultado de este proceso se le conoce como cascada atmosférica extendida. Alrededor de esta altura, las partículas ya no tienen suficiente energía para poder seguir “reproduciéndose” por lo que empiezan a ser absorbidas en la atmósfera y la cascada empieza a “morir”, es por esta razón que los detectores para observar este evento deben estar lo más cerca posible a los seis mil metros sobre el nivel del mar.

HAWC toma ventaja de estas cascadas atmosféricas para detectar de forma indirecta el rayo gamma o rayo cósmico las originó. Cuando estos miles de partículas entran en los detectores llenos de agua ultra pura de HAWC, viajan más rápido que la velocidad de la luz en el agua y producen luz azul (llamada luz Cherenkov). Los fototubos en el fondo de los tanques de HAWC detectan esta luz y con esta información y un complejo algoritmo computacional pueden decir qué tipo de rayo produjo esta cascada, qué energía tenía y en qué parte del cielo se originó la cascada. Después esto se convierte en mapas del cielo, que es información que ya podemos interpretar más fácilmente. Así es como funciona el observatorio. HAWC detecta 25 mil cascadas cada segundo, esta información se registra en discos duros, obteniendo una cantidad de 1.5 Tb de datos diariamente, esto equivale a llenar más de 300 DVD’s por día.

Desde el año 2016 se decidió extender la sensibilidad del observatorio, instalando una serie de 300 detectores más pequeños en el área circundante a la plataforma principal del experimento, estos detectores llamados “outriggers (OT)” tendrán una disposición no compacta. Al día de hoy llevamos un avance de más de 80 por ciento en la puesta en marcha de estos nuevos detectores, con los cuales se aumentará cuatro veces la potencia actual del HAWC.

A partir de la inauguración del observatorio se han realizado numerosos análisis que han culminado en publicaciones enviadas a revistas internacionales, particularmente los últimos meses han sido los más productivos. Destaca el artículo publicado en la prestigiosa revista Science, donde se discute la emisión de rayos gamma de altas energías de dos vientos producidos por pulsares cercanos. Se analizó la energía y el mecanismo que crea fotones de altas energías alrededor de estos pulsares. Por otro lado, se discute que el flujo de partículas —en particular positrones— que se ha observado recientemente, no es creado por estos objetos, dejando la puerta abierta a la posibilidad de que este exceso de positrones se deba a procesos de aniquilación de la elusiva materia obscura.

En otro artículo reciente, se discute la novedosa técnica incorporada en HAWC para monitorear en tiempo real eventos transitorios, especialmente los objetos Markarian 421 y Markarian 501. También se he reportado la observación sistemática de la Nebulosa del Cangrejo. Se ha buscado detectar señales de los estallidos de rayos gamma de muy alta energía y se han estudiado unas burbujas sobre el plano de la Vía Láctea detectadas por el satélite Fermi, poniendo límites a diferentes modelos teóricos que tratan de explicar su naturaleza.

La Colaboración HAWC ha presentado dos catálogos de fuentes que emiten fotones en la banda de altas energías entre 100 GeV y 100 TeV. Se presentan las propiedades de 39 fuentes, incluyendo las detecciones de dos núcleos activos de galaxias y numerosas fuentes asociadas con pulsares localizados en el plano de las galaxias. 24 objetos son reportados por primera vez y no tienen contraparte en otra longitud de onda.

Debido al éxito del observatorio, HAWC ha participado en campañas de estudios asociado con otras colaboraciones internacionales, incluyendo la Colaboración Fermi, IceCube o Veritas y la colaboración LIGO/VIRGO y se han reportado ya los resultados de estas investigaciones conjuntas; por ejemplo, IceCube detectó recientemente, y por primera vez, tres neutrinos en un intervalo de menos de 100 segundos, la probabilidad de que este evento fuese casual es relativamente baja. La Colaboración HAWC fue invitada a buscar una contraparte electromagnética en la banda de más alta energía. Los resultados de estas búsquedas, así como el estudio de los posibles candidatos a producir este exceso de neutrinos, es discutido en un artículo publicado en la revista Astronomy & Astrophysics.

HAWC también ha tratado de develar el misterio de la materia oscura, ha estado involucrado en el seguimiento del evento que provocó el descubrimiento de las ondas gravitacionales, se han discutido y publicado los resultados de las observaciones del plano galáctico, la posibilidad de detectar la radiación Hawking y los límites impuestos por las observaciones anteriores realizadas con el antecesor de HAWC, el observatorio “Milagro”.

Por otro lado, hace años se creía que los rayos cósmicos llegaban a la Tierra desde todas direcciones de forma homogénea, ahora sabemos que esto no es cierto. A este fenómeno se le conoce como anisotropía de rayos cósmicos. Recientemente HAWC ha estudiado este fenómeno y hemos discutido el origen de las anisotropías detectadas en el fondo de rayos cósmicos, entre muchos otros proyectos.

 

ibrahim.torres23@gmail.com