Espectro y composición de los rayos cósmicos en el rango de energía de la transición galáctica-extragaláctica - Tamashiro, Alejandro Andrés (2010)
La atmósfera terrestre está siendo continuamente bombardeada por partículas que viajan a gran velocidad, las cuales contribuyen a la radiactividad observada en la superficie terrestre. A principios del siglo pasado, se pensó que esta radiación era originada por rayos gamma, ya que éstos constituían la radiación extraterrestre más energética y penetrante conocida en aquella época. Es por ello que los entes responsables de generar esta radiación fueron bautizados como “Rayos Cósmicos”. Hoy en día se sabe que la mayoría de estos rayos, son núcleos de átomos y sólo una pequeña porción son rayos gamma y electrones. Su espectro de energía se extiende a lo largo de once décadas desde 10 E9 eV hasta energías del orden de 10 E20 eV, energías mucho mayores a las alcanzadas por partículas en cualquier acelerador creado por el hombre. La zona de los rayos cósmicos con energías mayores a ~ 10 E 17 eV es objeto de estudio en la actualidad, debido a que todavía existen muchas preguntas sin responder acerca de su naturaleza, su composición química y espectro, los mecanismos que les permiten alcanzar energías macroscópicas, la ubicación y característica de los objetos astrofísicos donde se generan, su propagación a través del espacio, e inclusive cuestiones más trascendentales para la física, como su sección eficaz con nucléolos y fotones, temas aún cuestionados para estas energías tan elevadas. El Observatorio Pierre Auger es un experimento actualmente activo dedicado al estudio de los rayos cósmicos altamente energéticos, cuyo objetivo es brindar información destinada a responder los enigmas aún vigentes para estas energías. El observatorio fue originalmente diseñado para detectar rayos cósmicos aproximadamente mayores a 10 E18 eV. El flujo de los rayos cósmicos en este rango de energías es muy bajo (aproximadamente menor a una partícula/Km2 /sr/año). Es por ello que se planificó que el área de colección del Observatorio Pierre Auger alcance los 6000 Km2, para poder disponer de una cantidad de eventos con una estadística sin precedentes en este rango de energías. La característica distintiva de este observatorio es la de ser híbrido, disponiendo de dos tipos de detectores: el detector de telescopios de Fluorescencia y el arreglo de estaciones Cherenkov de Superficie, que le permite registrar el desarrollo longitudinal y las partículas al nivel de la superficie terrestre respectivamente, pertenecientes a la lluvia de partículas generadas por los rayos cósmicos en la atmósfera terrestre. El Observatorio Pierre Auger consta de un sitio en el hemisferio sur y otro en el norte. El Observatorio norte está en la fase de investigación y desarrollo y será construido en Larmar en el estado de Colorado en Estados Unidos. El observatorio sur se ubica en el departamento de Malargüe en la provincia de Mendoza y está formado por un arreglo triangular de 1600 estaciones Cherenkov de superficies espaciadas a 1500 metros, cubriendo un área de 3000 Km2, y por 24 telescopios de fluorescencia apuntando hacia el interior del arreglo de superficie distribuidos en cuatro emplazamientos en su perisferia. La etapa de construcción del Observatorio sur ha finalizado y ahora se encuentra en una etapa de incorporación de extensiones para bajar el umbral de detección a energías del orden del ~ 10 E17 eV, con el fin de poder estudiar la zona del espectro de energía donde existe una gran riqueza física, ya que se supone se encuentra la transición galáctica-extragaláctica del origen de los rayos cósmicos. Las extensiones mencionadas son dos, AMIGA y HEAT. La primera consiste en agregar dos nuevos arreglos más pequeños de estaciones de superficie con espaciamientos de 433 metros y 750 metros. La segunda de las extensiones ya está en funcionamiento y consiste en el agregado de tres telescopios de fluorescencia apuntando a la parte más alta del desarrollo de las lluvias atmosféricas. Las estaciones Cherenkov de los nuevos arreglos estarán acompañadas por contadores de muones que serán enterrados a sus lados. Esto permitirá medir directamente la componente muónica de las lluvias, información que será destinada a realizar estudios de composición del rayo cósmico primario. La calibración del Observatorio es fundamental para obtener el espectro de energía de los rayos cósmicos detectados. Durante mi tesis doctoral he trabajado en la calibración tanto de los detectores de fluorescencia como así también de las estaciones Cherenkov de superficie. La calibración absoluta del detector de fluorescencia consiste en excitar cada uno de los telescopios mediante una fuente de luz artificial extensa que se coloca sobre su apertura. He caracterizado esta fuente determinando el grado de uniformidad de su emisión de luz. Mediante el desarrollo de una simulación de trazado de rayos he estudiado los efectos de la desviación respecto de la emisión perfectamente uniforme y he desarrollado un método para corregir estos efectos. La calibración del detector de superficie se realiza utilizando la información de las señales generadas por los muones atmosféricos de fondo. Para ello he participado en estudios que utilizan cálculos de Monte Carlo y semi-analíticos para reproducir y entender estas señales. Explotando la característica híbrida del Observatorio Pierre Auger he desarrollado un método para obtener la aceptancia del detector de superficie a través de la utilización de datos reales del detector de fluorescencia, como alternativa a los métodos tradicionales que se basan en resultados obtenidos a través de simulaciones numéricas, las cuales dependen de los modelos de interacción hadrónica adoptados. Las simulaciones del proceso de adquisición y reconstrucción de los eventos producidos por los rayos cósmicos involucran: la generación de la lluvia, la respuesta de los instrumentos del observatorio, y la reconstrucción de los parámetros del evento. Disponer de una cadena de simulación y reconstrucción de los eventos es fundamental para entender y evaluar el comportamiento del Observatorio. Por ello implementé una simulación completa del Observatorio, que contempla los telescopios de HEAT, las estaciones del nuevo arreglo AMIGA, y la propagación de las partículas a través de la tierra hasta llegar a la profundidad de los contadores de muones. Los estudios realizados con este programa de simulación han contribuido con la etapa de investigación y desarrollo de los contadores de muones de la extensión AMIGA, proporcionando información para la determinación del lugar óptimo para la instalación de los nuevos arreglos de superficie, como así también para determinar a que profundidad deben ser enterrados los contadores de muones. Finalmente he realizado un estudio para determinar los observables más relevantes para la discriminación de la composición de los rayos cósmicos, basados en técnicas del análisis estadístico multivariado y del ámbito de la inteligencia artificial, hasta ahora no muy difundidos en el campo de la astrofísica. Con este análisis pude evaluar la importancia de los observables aportados por distintos tipos de detectores, el de fluorescencia, el de superficie y los contadores de muones, a la hora de distinguir la composición química del rayo cósmico primario.