El observatorio HAWC está instalado en el Volcán Sierra Negra o Tliltepetl. Este volcán tiene una edad de 460 mil años y hospeda varios experimentos científicos que se benefician de su gran altitud y posición geográfica. Esta cumbre fue elegida en 1997 como la locación final del Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM), 10 años más tarde esta misma locación fue escogida para ser el hogar del observatorio de rayos gamma HAWC, un instrumento de gran campo de visión concebido para monitorear el cielo de manera continua.
El centro geométrico de la plataforma del HAWC está localizada a 4 mil 97 metros sobre el nivel del mar. Esta altitud permite que el detector sea más sensitivo a la detección de partículas secundarias creadas por rayos gamma o cósmicos que el mismo detector puesto a menores altitudes. La latitud geográfica es 18.99 º, lo que permite un monitoreo de 2/3 partes del cielo. HAWC tendrá una exposición considerable de fuentes como la nebulosa del Cangrejo, Geminga, Mrk 421 y 501, y la región de Cygnus; inclusive HAWC podrá observar el centro de nuestra galaxia por dos horas cada día. La longitud geográfica del sitio, 97.31 º W, es similar a varios observatorios de México, Estados Unidos y Sudamérica, permitiendo observar las mismas fuentes de rayos gamma con diferentes aparatos y por tanto diferentes longitudes de onda.
Infraestructura del sitio
y diseño de la plataforma del HAWC
El sitio HAWC está ubicado dentro del Parque Nacional Pico de Orizaba, por lo que se han gestionado y otorgado los permisos por parte de las agencias federales como Semarnat, basándose en una extensa revisión y aprobación del manifiesto de impacto ambiental gestionado por el INAOE. Todos los permisos ambientales fueron obtenidos en marzo de 2009 y el camino de acceso fue abierto en julio del mismo año. El permiso obtenido establece tres etapas: instalación (tres años, la cual se concluyó en marzo 2015), operación (10 años) y el desmantelamiento y recuperación ambiental (tres años).
El desarrollo y construcción del HAWC ha sido beneficiado de la infraestructura del GTM, como el camino ya existente para llegar a la cima del Volcán Sierra Negra, la línea eléctrica y la fibra óptica que fue ramificada y extendida 700 m hasta el sitio del HAWC. Esto creó las condiciones óptimas para la rápida creación de la plataforma y del arreglo de detectores del HAWC.
El observatorio está diseñado como un arreglo de 300 detectores Cherenkov en agua (WCD por sus siglas en inglés), cubriendo un área de 22 mil 500 metros cuadrados. Cada detector está compuesto por un cilindro de acero corrugado de 7.3 m de diámetro por 5 m de altura y lleno de agua ultra pura; el agua está contenida en una bolsa de las mismas medidas para que esté aislada de la intemperie y que el líquido (que funciona como medio radiador) se encuentre totalmente a oscuras. Los WCD son controlados individualmente desde un centro de comando llamado Counting House (CH), donde se almacenan los datos. También el arreglo es monitoreado a distancia a través de una interface web. El diseño del observatorio está diseñado como un arreglo compacto, lo más denso posible. Los WCD son colocados en pares para formar columnas y entre cada columna o par de detectores hay un espacio que permite el mantenimiento y reparación de cada WCD. Durante 2011 se concluyó la obra de ingeniería que permitió contar con una plataforma plana con un área de 22 mil 395 metros cuadrados y con una inclinación de Sur a Norte entre 8 por ciento y 1 por ciento, suficiente para permitir el flujo del agua de lluvia.
Diseño y construcción de los WCD
El diseño mecánico de las estructuras de los WCD consiste en tanques metálicos corrugados con una bolsa plástica que contiene los 188 mil litros de agua ultra pura. Los cilindros están construidos de acero galvanizado corrugado diseñados y manufacturados por una empresa con base en Estados Unidos. El grosor de las paredes de los cilindros varía con respecto a su altura para minimizar los costos sin perder resistencia mecánica. Los cálculos del estrés mecánico aplicado a cada uno de los puntos del cilindro debido a la presión del agua en su interior siguieron la norma API-620, la que nos permite conocer el estrés mecánico permitido para cada tornillo y cada parte de metal. Cada cilindro está enterrado 60 cm para proveer mayor estabilidad estructural necesitada en caso de sismos, ya que la locación del HAWC está situada en una región con bastante actividad sísmica.
Cada cilindro se arma usando un total de mil 700 tornillos con su respectiva tuerca y rondana de seguridad por cada WCD, lo que quiere decir que para la construcción del observatorio se usaron más de medio millón de tornillos. Otro componente de cada WCD es el techo con forma de domo; éste tiene debajo una estructura rígida echa con tubular de acero para darle soporte y forma a la cúpula y sobre esta estructura se ensambla el domo que está fabricado a base de polímeros de alta densidad y es especialmente elaborada para el observatorio, el material es altamente resistente a la radiación UV; este material es usado por la milicia de Estados Unidos para instalar sus campamentos; ésta tiene la función de evitar que se acumule nieve o agua de lluvia sobre la parte superior de la bolsa que contiene el agua, lo que provocaría una presión hacia abajo en toda la estructura, pudiendo deformarla o dañar la bolsa plástica.
El último de los componentes de los WCD son los detectores de luz o fotomultiplicadores (PMT); éstos están sumergidos hasta el fondo del cilindro, con la parte sensitiva orientada hacia arriba. Se usan tres fotomultiplicadores de ocho pulgadas colocados en los vértices de un triángulo equilátero de 3.2 m de lado y un fotomultiplicador de 10 pulgadas (con mayor sensibilidad ) en el centro del triángulo, de forma que la distancia de cada PMT de ocho pulgadas al PMT de 10 pulgadas es de 1.85 m. La posición este último PMT coincide con el centro de cada cilindro metálico.
El procedimiento para la instalación de cada WCD empieza por la señalización de la posición del centro de cada cilindro mediante el uso de una estación topográfica con una precisión de algunos milímetros de error, debido a la forma en que el HAWC calcula la dirección de arribo en el cielo de los rayos gamma y rayos cósmicos, es de suma importancia saber la posición de cada WCD y cada PMT dentro de él con suma precisión. Después de marcar con unas estacas, especialmente diseñadas, se procede a construir el cilindro metálico alrededor de este punto; el cilindro llega dividido en paneles que posteriormente forman una sección del cilindro o anillo; se arma el último anillo y se le instala la estructura para su domo y el domo plástico. Después, con ayuda de unos gatos hidráulicos especiales de alta carga se eleva el último anillo de forma que se pueda construir el penúltimo anillo debajo del anterior y así sucesivamente, hasta completar el cilindro. Al final se bajan y retiran los gatos cuidando que el primer anillo quede 60 cm bajo la tierra.
Posteriormente se instala en el interior del cilindro metálico la bolsa plástica, teniendo cuidado de anclarla a las marcas topográficas instaladas desde el inicio. Una vez en el interior del tanque, se extiende y se eleva con cuerdas y se infla con aire para que tome la forma del cilindro; luego se le inyecta el agua ultra pura, que es bombeada desde la planta de filtrado expresamente instalada en la parte este de la plataforma del HAWC; el llenado de los 188 mil litros de cada WCD se realiza en un tiempo aproximado de seis horas. Finalmente se sumerge cada uno de los sensores de luz hasta el fondo de cada WCD.
Estatus actual
En el mes de diciembre de 2014 se ensambló la última estructura; en enero de este año se terminó de llenar el último de los detectores y se tenían mil 37 de los mil 200 fotosensores que componen al observatorio completo. La instalación del último PMT coincidió con el cierre de esta edición.
Es importante notar que el desarrollo del observatorio ha sido modular por lo que no fue necesario terminar el HAWC completo para empezar a operar este dispositivo único en el mundo y de altísima sensibilidad, por lo que ya se han reportado resultados científicos desde 2012 y esperamos responder a muchas más interrogantes del universo con el HAWC completamente funcional a partir del 20 de marzo de 2015, día en que se inaugurará oficialmente el experimento.
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