Físicos brasileños ingresan al "LHC del espacio"

Un grupo de científicos integra la colaboración que opera un detector de partículas instalado en la Estación Espacial Internacional

Por Elton Alisson

Agência FAPESP – En la Estación Espacial Internacional (ISS, por sus siglas en inglés) hay un detector de partículas denominado Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) que se encuentra en operación desde hace cuatro años, cuyo desempeño es comparable con el de los detectores del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), con sede en Suiza. Por ese motivo es que puede decirse que el AMS-02 es “el LHC del espacio”.

El Instituto de Física de São Carlos (IFSC), dependiente de la Universidad de São Paulo (USP), en Brasil, pasó recientemente a formar parte de la colaboración internacional –compuesta por más de 600 físicos vinculados a 56 instituciones de investigación científica de 16 países – que proyectó, construyó y opera el AMS-02.

La inserción del IFSC como la primera institución de América del Sur que toma parte en el proyecto internacional se hizo efectiva a través del proyecto intitulado “Búsqueda indirecta de materia oscura con el detector AMS-02”, que cuenta con el apoyo de la FAPESP en el marco del Programa Jóvenes Investigadores en Centros Emergentes.

La propuesta de colaboración entre investigadores del IFSC con sus pares del Laboratorie d’Annecy-Le-Vieux de Physique des Particules, del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), en Francia, para participar en el proyecto AMS-02, también fue una de las seleccionadas en la segunda convocatoria del Programa São Paulo Researchers in International Colaboration (SPRINT), de la FAPESP.

“Nuestro grupo de investigación en enfocará en la búsqueda de materia oscura mediante la medición de rayos cósmicos detectados por el AMS-02”, declaró Manuela Vecchi, docente del IFSC-USP y coordinadora del proyecto, a Agência FAPESP.

El AMS-02 fue proyectado para medir las propiedades de los rayos cósmicos –partículas energéticas que se desplazan a velocidades cercanas a la de la luz, tales como protones, electrones, positrones (las antipartículas de los electrones) y antiprotones (las antipartículas de los protones)–, con el objetivo de ayudar a comprender mejor cómo se formó el Universo.

La medición con gran precisión de la composición y de los flujos de esos rayos cósmicos podrá ayudar a detectar, por ejemplo, si existen restos de antimateria primordial en nuestra galaxia, que tendrían que haber existido para que ocurriese el Bing Bang y se formase el Universo, hace casi 14 mil millones de años.

“Sabemos que, al principio, el Universo estaba constituido probablemente por materia y antimateria en iguales proporciones. Pero la parte del Universo explorada hasta ahora muestra que está constituido fundamentalmente por materia”, explicó Vecchi.

Las partículas de antimateria hasta ahora detectadas –positrones y antiprotones– son producidas junto con otras partículas de materia en algunos procesos astrofísicos, afirmó la investigadora.

Al estudiar la composición y el flujo de rayos cósmicos por medio del AMS-02, será posible detectar potenciales fuentes exclusivas de antimateria, que pueden ser antiestrellas o antigalaxias, ejemplificó.

“Hasta ahora todavía no se ha encontrado ninguna fuente exclusiva de antimateria en el Universo”, afirmó Vecchi.

En tanto, la medición de la composición y el flujo de antimateria –positrones y antiprotones– permite estudiar la presencia en la galaxia de materia oscura –que compone el 25% del Universo y tiene ese nombre debido a que no emite ni absorbe radiación electromagnética–, apuntó la investigadora.

“Las mediciones realizadas hasta ahora con el AMS-02 y con otros detectores que entraron en operación en los últimos años apuntan que hay más positrones observados en nuestra galaxia que lo esperable en procesos astrofísicos convencionales”, dijo Vecchi.

“Esto significa que, probablemente, aparte de los procesos astrofísicos convencionales, los positrones también son producidos por otras fuentes en nuestra galaxia; pero aún no sabemos cuáles”, ponderó.

Una de las hipótesis indica que en el espacio existen zonas con una gran densidad de partículas de materia oscura que se chocan y se anulan, situadas cerca del Sistema Solar.

Los modelos teóricos prevén que durante ese proceso de aniquilación de la materia oscura se produce un flujo significativo de positrones y antiprotones, y que ese flujo de partículas de antimateria podría detectarse, toda vez que posee un espectro de energía muy distinto al flujo de las partículas producidas en fuentes astrofísicas, explicó la investigadora.

“Uno de los objetivos de la colaboración del AMS-02 es entender el origen de los positrones y de los antiprotones e intentar detectar si esas partículas se producen realmente en fuentes astrofísicas o si son producto de la aniquilación de la materia oscura”, afirmó.

Instalación en el espacio

Según la investigadora, el proyecto de construcción del AMS-02 se puso en marcha hace más de 15 años.

Antes de su envío al espacio, el detector fue puesto a prueba en el haz de test del CERN, que aparte de utilizarse para el LHC, también se emplea para calibrar las respuestas de diferentes detectores de partículas.

Tras la realización de la pruebas, el detector fue enviado a Estados Unidos, a la agencia espacial norteamericana –la Nasa–, y luego a la Estación Espacial Internacional, a comienzos de 2011, en el trasbordador espacial Endeavor.

“El AMS-02 es el primero y el único detector de partículas en operación en la Estación Espacial Internacional”, afirmó Vecchi.

“La mayoría de los proyectos realizados actualmente en la Estación se enfoca en el desarrollo biológico, tal es el caso de la evaluación de diferentes formas de vida en condiciones de microgravedad, por ejemplo. A los propios astronautas que trabajan allí se los considera experimentos vivos”, comentó.

Los datos se recaban a un ritmo aproximado de 700 veces por segundo, se los procesa en computadoras ubicadas a bordo de la Estación Espacial Internacional y se los envía a través de satélites de la Nasa al centro de control del experimento, ubicado en el CERN.

“El centro de control del experimento, que controla el AMS-02 en forma remota, funciona las 24 horas y todos los días del año, pues el detector capta y transfiere ininterrumpidamente datos a la Tierra”, dijo Vecchi.

De acuerdo con a investigadora, la razón de enviar o detector al espacio consistió en hacer posible la medición de rayos cósmicos antes de que las partículas interactúen con la atmosfera.

De este modo, es posible tener acceso a la composición de los rayos cósmicos y estudiar la antimateria, toda vez que el campo magnético producido por el detector permite distinguir cargas positivas y negativas.

“El AMS-02 puede identificar protones, núcleos de helio, electrones, positrones, antiprotones y núcleos más pesados en los rayos cósmicos”, afirmó.

Ya existen observatorios de rayos cósmicos terrestres; tal es es el caso del Pierre Auger, que es el mayor observatorio de rayos cósmicos del mundo en actividad, instalado en Malargüe, en la provincia de Mendoza, Argentina, a 1.100 kilómetros de Buenos Aires (sepa más sobre el Observatorio Pierre Auger en http://agencia.fapesp.br/20964).

Pero los detectores del Pierre Auger detectan partículas secundarias, que se produjeron debido a la interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera, portadoras de energías mayores que las detectadas por el AMS-02, de cien trillones de electronvoltios (eV) (10²⁰).

“Los objetivos científicos del AMS-02 y del Observatorio Pierre Auger son distintos y a la vez complementarios”, evaluó Vecchi.

“Presumimos que los rayos cósmicos detectados por el AMS-02 son probablemente de origen galáctico. Pero, para estudiar rayos cósmicos producidos en fuentes que se encuentran fuera de nuestra galaxia, con energías mayores, necesitamos detectores mayores, emplazados en la Tierra, como los del Observatorio Pierre Auger”, comparó.

La investigadora italiana integra la colaboración AMS-02 desde 2011, cuando realizaba un posdoctorado en el CERN, en Suiza.