Los rayos cósmicos ultra energéticos

Rayos cósmicos

Los rayos cósmicos son partículas cargadas que llegan desde el espacio y que están continuamente bombardeando a la Tierra, desde cualquier dirección. En su mayoría son protones con una componente menor formada por núcleos de átomos más pesados. Los rayos cósmicos ultra energéticos en particular viajan a velocidades cercanas a las de la luz y constituyen las partículas más energéticas detectadas hasta el momento.

Hasta ahora el origen de los rayos cósmicos sigue siendo uno de los grandes misterios de la ciencia, y se han desarrollado múltiples modelos para explicar este fenómeno. Uno de los factores que dificulta conocer de dónde provienen es que, al tratarse de partículas cargadas, sus trayectorias se ven afectadas por los campos magnéticos que deben atravesar en su camino a la Tierra. Los científicos han especulado sobre diferentes posibilidades para el origen de los rayos cósmicos; sin embargo, no se tienen pruebas contundentes para ninguna de ellas, por esto es que se espera recabar más datos para saber cuál de las propuestas es correcta o bien si es algo completamente diferente.

Observatorio Pierre Auger

El Observatorio Pierre Auger es el más grande en su género y cuenta con una colaboración internacional formada aproximadamente por 500 investigadores de 19 países diferentes. Entre estos, se encuentran investigadores y estudiantes de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla. El Observatorio Pierre Auger, que se encuentra operando desde el año 2004 cerca de la localidad de Malargüe, en la provincia de Mendoza, en Argentina, utiliza dos técnicas de detección de las cascadas de partículas secundarias debidas a los rayos cósmicos ultra energéticos. Una se basa es un arreglo de detectores de superficie (SD) y la otra utiliza detectores de fluorescencia (FD). Con estos dos sistemas de detectores se toman datos sobre la llegada de las partículas  secundarias al suelo y su paso a través de la atmósfera. (Pierre Auger Collaboration, 2015).

Hace algunos años, el Observatorio Pierre Auger se mejoró con la puesta en marcha de dos extensiones a sus arreglos de detección con el objetivo de ser sensible a rayos cósmicos de más baja energía ( 1×1017 eV). La principal motivación para realizar estas mejoras fue el estudio de la transición de los rayos cósmicos de origen galáctico a los de origen extragaláctico, que con la evidencia actual se cree que ocurre entre 3×1016 eV y 5×1018 eV. Otra motivación fue el estudiar posibles cambios de composición. Estas mejoras nos permitirán lograr un mayor entendimiento de los rayos cósmicos.

En particular, el grupo de México (BUAP) está jugando un papel importante en el análisis de los datos para determinar el cambio en el índice espectral que ocurre entre 1017 y 1018 eV.

Contribución del Laboratorio Nacional de Supercómputo del Sureste de México en el Estudio de los Rayos Cósmicos Ultra Energéticos

El Laboratorio Nacional de Supercómputo del Sureste (LNS) cuenta actualmente con una supercomputadora constituida por 272 nodos con 24 núcleos de procesamiento de última generación cada uno, que en conjunto tienen la capacidad de realizar aproximadamente 200 billones de operaciones por segundo (200 Teraflops).

Su alta velocidad de cómputo, aunada a su gran capacidad de almacenamiento de datos, han permitido que el LNS se esté usando ampliamente por investigadores en el área de la Física de Partículas Elementales y de Astropartículas, enriqueciendo la participación de México en los proyectos internacionales siguientes: HAWC, AUGER, LAGO, ALICE-LHC y CMS-LHC.

En particular en el área de los rayos cósmicos ultraenergéticos el trabajo que se realiza con la infraestructura del LNS, es el estudio, por medio de simulaciones, de la influencia de los modelos de interacción hadrónica en la determinación de la composición química de los rayos cósmicos. El parámetro experimental considerado es la llamada Xmax (la profundidad atmosférica donde la lluvia adquiere su máximo desarrollo), a continuación enumeramos los pasos que realizamos en el LNS.

1. Los chubascos cósmicos son simulados usando el programa de Monte Carlo CONEX [2]. Se generaran ocho conjuntos de 10 mil lluvias cada uno, para primarios compuestos de protones y hierros con los modelos hadrónicos QGSJET versión 04 [3] y SIBYLL versión 2.1 [4]; las lluvias se generaran en un rango de energía de 1 × 1017 eV y 1×1018 eV. Las directivas del programa fueron fijadas a fin de evaluar el perfil longitudinal de partículas.
2. Se simula la respuesta de los telescopios de fluorescencia HEAT ante una lluvia de partículas originada por un rayo cósmico de muy alta energía, se efectuó mediante software de la colaboración Auger llamado offline con modificaciones hechas por el grupo de investigadores de la BUAP y lee directamente los perfiles longitudinales de partículas generados externamente mediante el programa CONEX (punto 1). Cada conjunto de 10,000 lluvias de un mismo tipo (primario y modelo hadrónico) se distribuye 200 veces en forma aleatoria dentro del campo de visión de HEAT.
3. Se reconstruyen datos de eventos reales de HEAT con el software offline y se corrige los resultados de la medición de la Xmax usando las simulaciones.
4. Una vez que se corrigen las mediciones de la Xmax se hace el análisis de estos resultados para obtener información de la composición.

Los resultados de estas simulaciones por parte del grupo Auger Puebla, usando los recursos de súpercómputo del LNS, se han usado para determinar los errores sistemáticos en la medición de la Xmax. El LNS se ha usado también por este grupo para estudiar las posibles fuentes de los rayos cósmicos ultra energéticos.

AugerPrime

En noviembre del año pasado fue anunciada la nueva etapa del Observatorio Pierre Auger, denominada AugerPrime, la cual consiste en la adición de un detector de centelleo a las estaciones de superficie del Observatorio (Pierre Auger Collaboration, 2016).

Esta actualización tiene como objetivo mejorar los resultados en cuanto a composición de los rayos cósmicos ultra energéticos, lo cual tiene implicaciones directas en el conocimiento de su origen. Para esto se tienen considerados varios escenarios astrofísicos o posibles fuentes. Entre estas fuentes se encuentran las explosiones de rayos gamma (GRB’s), las galaxias con núcleo activo (AGN’s), es decir, aquellas que tienen un agujero negro en su centro, además de los remanentes de super novas y de las colisiones de galaxias.

Desde su inicio varios investigadores y alumnos de la Facultad de Física y Matemáticas de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, han participado muy de cerca en esta nueva etapa del Observatorio Pierre Auger. Es importante mencionar que el LNS ha jugado un papel detonador de esta participación para permitir desentrañar un misterio centenario de la Naturaleza en relación con las propiedades de los rayos cósmicos ultra energéticos.

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Referencias

[1] http://visitantes.auger.org.ar/index.php/los-rayos-cosmicos.html

[2] Pierre Auger Collaboraion, A. Aab et al. (2015). “The Pierre Auger Cosmic Ray Observatory”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Reserach, Section A, 798 (2015), pp 172-213.

[3] Pierre Auger Collaboration, Alexander Aab, et al. (2016). “The Pierre Auger Observatory Upgrade: Prelimary Design Report”, asXiv:1604.03637.