Una nueva infraestructura de investigación para la astrofísica de partículas

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Agência FAPESP* –Por Elton Alisson
Agência FAPESP – La comunidad científica sudamericana de investigadores en Astrofísica de Partículas espera recibir durante los próximos años importantes refuerzos de infraestructura para la realización de experimentos en esa área interdisciplinaria orientada al estudio de rayos cósmicos de ultra alta energía, las partículas subatómicas más energéticas conocidas en la actualidad, de origen aún incierto.
El mayor observatorio de rayos cósmicos del mundo, el Observatorio Pierre Auger –instalado en la provincia de Mendoza, en Argentina, que cuenta con la participación de Brasil financiada por la FAPESP y por otros organismos de fomento–, pasará por un programa de actualización en 2018.
Este mismo año 2015 también quedará definido el país sede en el hemisferio Sur del Cherenkov Telescope Array (CTA), que se convertirá en el mayor observatorio del mundo dedicado al estudio de cuerpos celestes que emiten radiación gamma, de la más alta energía.
Asimismo, está discutiéndose la construcción del Agua Negra Deep-Underground Experiments Site (Andes), el primer laboratorio subterráneo de Latinoamérica, cuya construcción se proyectó como un anexo a un túnel que se excavará en la frontera andina entre Argentina y Chile, para la realización de experimentos en diversas áreas, inclusive la Astrofísica de Partículas.
“La comunidad de Astrofísica de Partículas en Sudamérica está pasando actualmente por una fase muy importante y excitante, en razón de la expectativa de concreción de estos proyectos”, declaró Luiz Vitor de Souza Filho, docente del Instituto de Física de São Carlos (IFSC) de la Universidad de São Paulo (USP), a Agência FAPESP.
Con el fin de discutir las perspectivas de estos proyectos de infraestructura para el área en Sudamérica, Souza Filho y un grupo de cien investigadores de diversos países se reunieron en noviembre en el Instituto de Física de la USP, durante el 3rd Astroparticle Physics Workshop: The future in South America.
“El objetivo del evento fue reunir a la comunidad científica internacional de Astrofísica de Partículas para empezar a planificar el futuro de los experimentos en el área de una manera más organizada”, dijo Souza Filho, uno de los organizadores del encuentro.
“El momento es propicio para intentar crear un plan de inversiones y de investigación, teniendo en cuenta cuestiones científicas importantes que podemos responder con la construcción de estos proyectos”, afirmó.
Un plan de actualización
Entre estos temas, según el profesor, se encuentra el origen de los rayos cósmicos de ultra alta energía y el tipo de partículas subatómicas que llegan a la Tierra con energías macroscópicas del orden del número 10 elevado a la 18ª potencia (mil millones multiplicado por mil millones, o trillones) de electronvoltios (eV).
El Observatorio Pierre Auger permitió observar en los últimos 10 años decenas de rayos cósmicos más allá de 10 elevado a la 20ª de eV y fue muy exitoso en ese propósito, según evaluaron los científicos presentes en el encuentro.
Sin embargo, los resultados obtenidos mediante la colaboración Auger todavía no permiten identificar totalmente las fuentes de esos rayos cósmicos de energía ultra alta.
“Medimos diversas propiedades de los rayos cósmicos, pero todavía no logramos localizar la fuente o las fuentes de los mismos. Y no sabemos exactamente si las partículas que llegan a la Terra son puramente protones o núcleos atómicos más pesados, o incluso una mezcla de éstos”, afirmó.
De acuerdo con científicos del área, uno de los retos a la hora de detectar la fuente y la composición de estas partículas provenientes del espacio consiste en que las mismas se miden de manera indirecta.
Cuando una partícula cósmica ultraenergética llega a la atmósfera terrestre, colisiona contra un núcleo de aire y produce nuevas partículas, que a su vez también colisionan e interactúan, en un efecto multiplicativo en cascada que forma una lluvia atmosférica extensa constituida por unas mil millones de partículas o más.
El Observatorio Auger estudia los rayos cósmicos ultraenergéticos que llegan a la Tierra mediante la medición de esas lluvias atmosféricas extensas que los mismos producen en la atmósfera.
La expectativa indica que el programa de actualización del Observatorio Auger hará posible suministrar respuestas a estas cuestiones, al mejorar considerablemente la resolución de los detectores de partículas del observatorio.
“Esa actualización permitirá efectuar la medición de distintos tipos de partículas y con mayor precisión”, estimó Souza Filho.
Actualmente, un comité de físicos se encuentra abocado al análisis de distintas propuestas de actualización del Observatorio Auger. Todas ellas se enfocan en mejorar la resolución de la composición de los rayos cósmicos.
Cada una de esas propuestas comprende una técnica diferente para la detección de muones –las partículas subatómicas ultraenergéticas presentes en las lluvias atmosféricas– y requiere de distintas combinaciones de nuevos productos electrónicos, nuevos detectores y modificaciones internas en los 1.600 mil detectores del observatorio.
Los detectores, distribuidos por un área de 3 mil km², en una zona plana junto a los Andes, son tanques de polietileno que contienen 12 mil litros de agua purificada, y que están provistos con sensores fotomultiplicadores.
Cuando las partículas de una lluvia atmosférica atraviesan el agua que se encuentra en el interior del tanque, se emite una luz que los sensores pueden medir.
Unas antenas acopladas a cada tanque transmiten los datos por radio a la sede del observatorio, ubicada en la localidad de Malargüe, en Argentina, desde donde se los envía para su análisis a cargo de unos 450 científicos de otros lugares del mundo.
Las propuestas de actualización del observatorio prevén el agregado de nuevos detectores de muones existentes en las lluvias que se captan. Para ello se harían necesarios cambios en todos los detectores existentes, a un costo estimado en 15 millones de reales.
Para evaluar si éstos funcionan efectivamente, se están probando prototipos de los sistemas de detección de muones propuestos.
“A comienzos de 2015 se seleccionará una de las propuestas. Esperamos que sea posible instalar pronto los nuevos detectores y operarlos a lo sumo en 2023”, declaró a Agência FAPESP Carola Dobrigkeit Chinellato, docente del Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) de la Universidad de Campinas (Unicamp), quien preside la Comisión de Publicaciones del Pierre Auger.
La profesora también participó en carácter de representante de la FAPESP en un encuentro de la Comisión de Finanzas del Observatorio Auger, que reunió a los organismos de fomento científico de los 18 países miembros de la Colaboración para la rendición anual de cuentas. La reunión se realizó el día 15 de noviembre del año pasado en la sede de la FAPESP, en São Paulo.
El CTA
A comienzos de 2015 también se definirá el país sede en el hemisferio Sur del CTA –el consorcio internacional integrado por 28 países, entre ellos Brasil–, que apunta a construir para 2020 el mayor observatorio astronómico del mundo dedicado al estudio de objetos astrofísicos que emiten rayos gamma.
Ese observatorio contará con alrededor de 100 telescopios que se instalarán en dos lugares distintos: uno en el hemisferio Sur y otro en el hemisferio Norte.
En el hemisferio Sur, los países que aspiran a ser sede del observatorio son Chile y Argentina en Latinoamérica, y Namibia en África, dijo Souza Filho, uno de los científicos brasileños que participan en el proyecto (lea más en portugués, en: http://agencia.fapesp.br/16674).
Según Souza Filho, la idea inicial consiste en construir un conjunto de siete telescopios –que formarán un arreglo embrionario del observatorio denominado CTA Mini-Array– alrededor del cual se erigirá posteriormente el resto del observatorio.
De los siete primeros telescopios, Brasil construirá tres en el marco de un Proyecto Temático que cuenta con el apoyo de la FAPESP.
El primero entró en fase de pruebas en Catania, en Italia, al final del pasado mes de septiembre (lea más en portugués, en: http://revistapesquisa.fapesp.br/2014/10/07/prototipo-de-telescopio-para-observacao-de-raios-gama-sera-testado-na-italia/).
“La meta es probar inicialmente ese pequeño conjunto de telescopios, obtener los primeros datos científicos y con base en ellos avanzar hasta llegar a un centenar de telescopios”, dijo Souza Filho.
Durante el workshop realizado en la USP, Werner Hofmann, portavoz del proyecto e investigador del Max-Plack-Institut für Kernphysik, de Alemania, dijo que difícilmente el CTA no venga a América del Sur.
El proyecto Andes
Otra iniciativa de investigación en Astrofísica de Partículas en América del Sur que se encuentra en discusión es la construcción del laboratorio subterráneo profundo Andes.
La idea de la comunidad científica consiste en erigirlo como anexo a un túnel de 14 kilómetros de extensión que Argentina y Chile pretenden excavar bajo la Cordillera de los Andes, cuyo objetivo es facilitar el acceso de los países de Sudamérica al Océano Pacífico, con el objetivo de exportar más fácilmente hacia Asia.
El proyecto del laboratorio subterráneo prevé la instalación de diversos aparatos destinados a la realización de estudios en distintas áreas, tales como un gran detector de neutrinos de baja energía y geoneutrinos, los neutrinos producidos por la descomposición de productos radioactivos en la Tierra, tales como potasio, uranio y torio, que se presume que tienen una gran relevancia en el balance de calor de la Tierra.
El túnel sería el lugar propicio para la medición de esas partículas, según evalúan los científicos del área.
“El Andes permitiría la realización de experimentos en distintas áreas que requieren bajo nivel de radiación, tales como las de mediciones de la materia oscura y de neutrinos”, explicó Souza Filho.
Hasta el momento, sólo Argentina, Brasil, México y Chile han puesto su empeño en el proyecto, pero apuntan a que otros países se sumen.

<p><b>Por Elton Alisson</b></p>
<p><b>Agência FAPESP</b> – La comunidad científica sudamericana de investigadores en Astrofísica de Partículas espera recibir durante los próximos años importantes refuerzos de infraestructura para la realización de experimentos en esa área interdisciplinaria orientada al estudio de rayos cósmicos de ultra alta energía, las partículas subatómicas más energéticas conocidas en la actualidad, de origen aún incierto.</p>
<p>El mayor observatorio de rayos cósmicos del mundo, el Observatorio Pierre Auger –instalado en la provincia de Mendoza, en Argentina, que cuenta con la participación de Brasil <b><a href="http://www.bv.fapesp.br/pt/auxilios/28649/estudo-dos-raios-cosmicos-de-mais-altas-energias-com-o-observatorio-pierre-auger/" target="_blank">financiada por la FAPESP</a></b> y por otros organismos de fomento–, pasará por un programa de actualización en 2018.</p>
<p>Este mismo año 2015 también quedará definido el país sede en el hemisferio Sur del Cherenkov Telescope Array (CTA), que se convertirá en el mayor observatorio del mundo dedicado al estudio de cuerpos celestes que emiten radiación gamma, de la más alta energía.</p>
<p>Asimismo, está discutiéndose la construcción del Agua Negra Deep-Underground Experiments Site (Andes), el primer laboratorio subterráneo de Latinoamérica, cuya construcción se proyectó como un anexo a un túnel que se excavará en la frontera andina entre Argentina y Chile, para la realización de experimentos en diversas áreas, inclusive la Astrofísica de Partículas.</p>
<p>“La comunidad de Astrofísica de Partículas en Sudamérica está pasando actualmente por una fase muy importante y excitante, en razón de la expectativa de concreción de estos proyectos”, declaró Luiz Vitor de Souza Filho, docente del Instituto de Física de São Carlos (IFSC) de la Universidad de São Paulo (USP), a Agência FAPESP.</p>
<p>Con el fin de discutir las perspectivas de estos proyectos de infraestructura para el área en Sudamérica, Souza Filho y un grupo de cien investigadores de diversos países se reunieron en noviembre en el Instituto de Física de la USP, durante el 3rd Astroparticle Physics Workshop: The future in South America.</p>
<p>“El objetivo del evento fue reunir a la comunidad científica internacional de Astrofísica de Partículas para empezar a planificar el futuro de los experimentos en el área de una manera más organizada”, dijo Souza Filho, uno de los organizadores del encuentro.</p>
<p>“El momento es propicio para intentar crear un plan de inversiones y de investigación, teniendo en cuenta cuestiones científicas importantes que podemos responder con la construcción de estos proyectos”, afirmó.</p>
<p>Un plan de actualización</p>
<p>Entre estos temas, según el profesor, se encuentra el origen de los rayos cósmicos de ultra alta energía y el tipo de partículas subatómicas que llegan a la Tierra con energías macroscópicas del orden del número 10 elevado a la 18ª potencia (mil millones multiplicado por mil millones, o trillones) de electronvoltios (eV).</p>
<p>El Observatorio Pierre Auger permitió observar en los últimos 10 años decenas de rayos cósmicos más allá de 10 elevado a la 20ª de eV y fue muy exitoso en ese propósito, según evaluaron los científicos presentes en el encuentro.</p>
<p>Sin embargo, los resultados obtenidos mediante la colaboración Auger todavía no permiten identificar totalmente las fuentes de esos rayos cósmicos de energía ultra alta.</p>
<p>“Medimos diversas propiedades de los rayos cósmicos, pero todavía no logramos localizar la fuente o las fuentes de los mismos. Y no sabemos exactamente si las partículas que llegan a la Terra son puramente protones o núcleos atómicos más pesados, o incluso una mezcla de éstos”, afirmó.</p>
<p>De acuerdo con científicos del área, uno de los retos a la hora de detectar la fuente y la composición de estas partículas provenientes del espacio consiste en que las mismas se miden de manera indirecta.</p>
<p>Cuando una partícula cósmica ultraenergética llega a la atmósfera terrestre, colisiona contra un núcleo de aire y produce nuevas partículas, que a su vez también colisionan e interactúan, en un efecto multiplicativo en cascada que forma una lluvia atmosférica extensa constituida por unas mil millones de partículas o más.</p>
<p>El Observatorio Auger estudia los rayos cósmicos ultraenergéticos que llegan a la Tierra mediante la medición de esas lluvias atmosféricas extensas que los mismos producen en la atmósfera.</p>
<p>La expectativa indica que el programa de actualización del Observatorio Auger hará posible suministrar respuestas a estas cuestiones, al mejorar considerablemente la resolución de los detectores de partículas del observatorio.</p>
<p>“Esa actualización permitirá efectuar la medición de distintos tipos de partículas y con mayor precisión”, estimó Souza Filho.</p>
<p>Actualmente, un comité de físicos se encuentra abocado al análisis de distintas propuestas de actualización del Observatorio Auger. Todas ellas se enfocan en mejorar la resolución de la composición de los rayos cósmicos.</p>
<p>Cada una de esas propuestas comprende una técnica diferente para la detección de muones –las partículas subatómicas ultraenergéticas presentes en las lluvias atmosféricas– y requiere de distintas combinaciones de nuevos productos electrónicos, nuevos detectores y modificaciones internas en los 1.600 mil detectores del observatorio.</p>
<p>Los detectores, distribuidos por un área de 3 mil km², en una zona plana junto a los Andes, son tanques de polietileno que contienen 12 mil litros de agua purificada, y que están provistos con sensores fotomultiplicadores.</p>
<p>Cuando las partículas de una lluvia atmosférica atraviesan el agua que se encuentra en el interior del tanque, se emite una luz que los sensores pueden medir.</p>
<p>Unas antenas acopladas a cada tanque transmiten los datos por radio a la sede del observatorio, ubicada en la localidad de Malargüe, en Argentina, desde donde se los envía para su análisis a cargo de unos 450 científicos de otros lugares del mundo.</p>
<p>Las propuestas de actualización del observatorio prevén el agregado de nuevos detectores de muones existentes en las lluvias que se captan. Para ello se harían necesarios cambios en todos los detectores existentes, a un costo estimado en 15 millones de reales.</p>
<p>Para evaluar si éstos funcionan efectivamente, se están probando prototipos de los sistemas de detección de muones propuestos.</p>
<p>“A comienzos de 2015 se seleccionará una de las propuestas. Esperamos que sea posible instalar pronto los nuevos detectores y operarlos a lo sumo en 2023”, declaró a Agência FAPESP Carola Dobrigkeit Chinellato, docente del Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) de la Universidad de Campinas (Unicamp), quien preside la Comisión de Publicaciones del Pierre Auger.</p>
<p>La profesora también participó en carácter de representante de la FAPESP en un encuentro de la Comisión de Finanzas del Observatorio Auger, que reunió a los organismos de fomento científico de los 18 países miembros de la Colaboración para la rendición anual de cuentas. La reunión se realizó el día 15 de noviembre del año pasado en la sede de la FAPESP, en São Paulo.</p>
<p><b>El CTA</b></p>
<p>A comienzos de 2015 también se definirá el país sede en el hemisferio Sur del CTA –el consorcio internacional integrado por 28 países, entre ellos Brasil–, que apunta a construir para 2020 el mayor observatorio astronómico del mundo dedicado al estudio de objetos astrofísicos que emiten rayos gamma.</p>
<p>Ese observatorio contará con alrededor de 100 telescopios que se instalarán en dos lugares distintos: uno en el hemisferio Sur y otro en el hemisferio Norte.</p>
<p>En el hemisferio Sur, los países que aspiran a ser sede del observatorio son Chile y Argentina en Latinoamérica, y Namibia en África, dijo Souza Filho, uno de los científicos brasileños que participan en el proyecto (lea más en portugués, en: <b><a href="http://agencia.fapesp.br/16674">http://agencia.fapesp.br/16674</a></b>).</p>
<p>Según Souza Filho, la idea inicial consiste en construir un conjunto de siete telescopios –que formarán un arreglo embrionario del observatorio denominado CTA Mini-Array– alrededor del cual se erigirá posteriormente el resto del observatorio.</p>
<p>De los siete primeros telescopios, Brasil construirá tres en el marco de un <b><a href="http://www.bv.fapesp.br/pt/auxilios/87270/investigacao-de-fenomenos-de-altas-energias-e-plasmas-astrofisicos-teoria-simulacoes-numericas-obser/" target="_blank">Proyecto Temático</a></b> que cuenta con el apoyo de la FAPESP.</p>
<p>El primero entró en fase de pruebas en Catania, en Italia, al final del pasado mes de septiembre (lea más en portugués, en: http://revistapesquisa.fapesp.br/2014/10/07/prototipo-de-telescopio-para-observacao-de-raios-gama-sera-testado-na-italia/).</p>
<p>“La meta es probar inicialmente ese pequeño conjunto de telescopios, obtener los primeros datos científicos y con base en ellos avanzar hasta llegar a un centenar de telescopios”, dijo Souza Filho.</p>
<p>Durante el workshop realizado en la USP, Werner Hofmann, portavoz del proyecto e investigador del Max-Plack-Institut für Kernphysik, de Alemania, dijo que difícilmente el CTA no venga a América del Sur.</p>
<p><b>El proyecto Andes</b></p>
<p>Otra iniciativa de investigación en Astrofísica de Partículas en América del Sur que se encuentra en discusión es la construcción del laboratorio subterráneo profundo Andes.</p>
<p>La idea de la comunidad científica consiste en erigirlo como anexo a un túnel de 14 kilómetros de extensión que Argentina y Chile pretenden excavar bajo la Cordillera de los Andes, cuyo objetivo es facilitar el acceso de los países de Sudamérica al Océano Pacífico, con el objetivo de exportar más fácilmente hacia Asia.</p>
<p>El proyecto del laboratorio subterráneo prevé la instalación de diversos aparatos destinados a la realización de estudios en distintas áreas, tales como un gran detector de neutrinos de baja energía y geoneutrinos, los neutrinos producidos por la descomposición de productos radioactivos en la Tierra, tales como potasio, uranio y torio, que se presume que tienen una gran relevancia en el balance de calor de la Tierra.</p>
<p>El túnel sería el lugar propicio para la medición de esas partículas, según evalúan los científicos del área.</p>
<p>“El Andes permitiría la realización de experimentos en distintas áreas que requieren bajo nivel de radiación, tales como las de mediciones de la materia oscura y de neutrinos”, explicó Souza Filho.</p>
<p>Hasta el momento, sólo Argentina, Brasil, México y Chile han puesto su empeño en el proyecto, pero apuntan a que otros países se sumen.</p>
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