En la inmensa planicie conocida como Pampa Amarilla en el Oeste de Argentina, una nueva ventana al Universo se está abriendo. Allí, el Observatorio de Rayos Cósmicos Pierre Auger, diseñado para estudiar las partículas de más alta energía en el Universo, está terminando de ser construido y, al mismo tiempo, tomando datos. A pesar que su construcción todavía no se ha terminado, ya es el detector de rayos cósmicos más grande jamás construido. Está diseñado particularmente para el estudio de los rayos cósmicos de energía superior a 1019 eV. Detectando y estudiando estas partículas raras, el Observatorio Auger esta abordando el enigma del origen y la existencia de estas.
Los rayos cósmicos son medidos por dos sistemas de detectores independientes, el Detector de Superficie (DS) y el Detector de Fluorescencia (FD). La combinación de estas dos técnicas complementarias forman un poderoso sistema de detección híbrido.
El Observatorio está diseñado para el estudio de las lluvias extensas atmosféricas (ver rayos cósmicos) y, cuando se complete su construcción, estará formado por 1600 tanques de agua repartidos en un área de 3000 km2, aproximadamente 30 veces el área de Paris. Además esta compuesto por los detectores de fluorescencia ubicados en la periferia del arreglo de superficie. Esta inmensa área es necesaria para capturar los eventos más raros, que aún a 1019 eV tienen una tasa de llegada de solamente de 1 por km2 por año mientras que para un orden de magnitud mayor la tasa es por lo menos un factor 100 menor!
En la figura 1 se muestra el plano de la disposición final de los detectores. Cada punto representa uno de los tanques de agua. Los detectores de fluorescencia están ubicados en pequeños cerros alrededor del área cubierta con los tanques. A dichas posiciones (Leones, Coihueco, Morados y Loma Amarilla) se encuentran cuatro edificios que alojan sofisticadas cámaras de fotomultiplicadores que colectan la luz de fluorescencia, producida después de la excitación del nitrógeno atmosférico por la lluvia a medida que se propaga a través de la atmósfera.
Es el único Observatorio en el que se utilizan dos métodos para la detección simultánea de lluvias atmosféricas extensas. Un esquema del principio de detección de las lluvias, usando este sistema híbrido, se muestra en la figura 2. Las pequeñas diferencias en los tiempos de llegada de las partículas de la lluvia medidos en los distintos tanques permite a los científicos determinar la trayectoria del rayo cósmico que entró en la atmósfera. Estos tiempos son medidos usando un sistema GPS ubicado en cada tanque de agua. Para los detectores de fluorescencia, la señal dejada por un rayo cósmico se parece a una lámpara de luz UV (ultravioleta) moviéndose a través de la atmósfera a la velocidad de la luz, con una luminosidad que va aumentando y puede llegar hasta 4 watts cuando la cascada de partículas llega a su tamaño máximo. Los detectores de fluorescencia del Observatorio Auger son mucho más sensibles que el ojo humano y pueden “ver” lluvias que se producen a grandes distancias de estos. Ocasionalmente, una cascada puede producirse en un lugar en donde dos, o tal vez tres, detectores de fluorescencia pueden medirla. Esto permite medir con mucha precisión la dirección de llegada de los rayos cósmicos.
Cada tanque contiene 12 toneladas de agua ultra pura y detecta la luz Cherenkov producida por las partículas que atraviesan los tanques utilizando tres fotomultiplicadores grandes. En la figura 3 se muestra uno de los tanques en donde se puede observar los paneles solares usados para suministrar electricidad al tanque, el receptor GPS y la antena de telecomunicaciones utilizada para enviar información a la estación central.
Es importante controlar la precisión en la medición del tamaño de las señales y de los tiempos de llegada de las partículas en los tanques de agua. Esto es realizado por medio de un par de tanques ubicados uno muy cerca del otro. En la figura 4 se muestra un par de tanques que fue instalado para los primeros estudios con un arreglo prototipo.
Figure 4:Dos tanques adyacentes utilizados para la estimación de la precisión en la medición del tamaño de la señal y de los tiempos de llegada de las partículas en los tanques. Estos tanques fueron usados en el arreglo prototipo y tienen un diseño un poco diferente al diseño final que se muestra en la figura 3.
En el fondo de la figura se puede observar el edificio de uno de los detectores de fluorescencia que se encuentra a aproximadamente unos 10 km de distancia.
El equipamiento que se encuentra dentro de cada edificio fluorescencia (Edificios de FD), es bastante complejo y posee un suministro de electricidad realizado por métodos convencionales. Cada edificio aloja 6 telescopios diseñados para detectar la luz de fluorescencia producida por las lluvias de rayos cósmicos. En la figura 5 se muestran las componentes de cada uno de los telescopios: una cámara con su correspondiente espejo y el filtro en la ventana de apertura. La tenue luz de fluorescencia atraviesa dicho filtro especial, el cual fue diseñado para no deja pasar la luz de fondo proveniente de las estrellas. También, sirven como blindaje para evitar que suciedad del exterior entre en la sala limpia en donde la cámara de fotomultiplicadores esta ubicada. La luz ultravioleta es reflectada en el espejo de 11 m2 de área hacia la cámara.
La emisión de la tenue luz de fluorescencia puede ser relacionada al número de partículas en la lluvia, lo que permite el seguimiento crecimiento y decaimiento del número de partículas de cada evento. No obstante, esto requiere un programa sofisticado de control atmosférico y para ello se han instalado varios instrumentos dedicados a esta tarea. Parte de la información obtenida, puede ser útil para investigadores que estudian ciencias de la atmósfera. Las cámaras son capaces de detectar la luz ultravioleta de los eventos más energéticos que caen a distancias mayores a 25 km de estas.
La utilización de estos dos métodos de observación complementarios permite al Obsevatorio Auger obtener información de alta calidad sobre las características de rayo cósmico primario. También, la comparación de los resultados obtenidos con estos dos diferentes tipos de detectores, ayuda a los científicos a conciliar los dos conjuntos de datos y producir información con mucha precisión sobre la energía del rayo cósmico primario. El detector de fluorescencia es capaz de detectar la energía de la lluvia, la cual es aproximadamente igual a la energía del rayo cósmico primario. La energía total del rayo cósmico es mucho más difícil de determinar con los detectores de superficie, los cuales muestrean una fracción pequeña de la energía de la lluvia. La comparación de los datos provenientes de estos dos métodos es similar a la comparación de los resultados de una encuesta política con los resultados de la elección actual, permitiendo a los científicos un mejor entendimiento de los datos a partir de los dos métodos y trabajar en el mejoramiento de las incertezas de ambas técnicas. Mientras que los detectores de fluorescencia trabajan solamente en noches claras y sin luna, los detectores de superficie están siempre funcionando, sin importarles las condiciones atmosféricas.
El Observatorio Pierre Auger está en la etapa final de su construcción y ha comenzado ya a colectar datos en Malargüe, Argentina, una ciudad en la Provincia de Mendoza, situado al Este de la Cordillera de Los Andes. Otro observatorio complementario será construido en el sudeste de Colorado, permitiendo de esta manera realizar una cobertura uniforme de los cielos del hemisferio norte y sur. Si se encuentra que los rayos cósmicos llegan de direcciones específicas, el Observatorio Auger será capaz de identificar y estudiar las posibles fuentes de estos sobre todo el cielo con la misma sensibilidad. Si no se encuentran fuentes puntuales, la cobertura completa dada por los dos observatorios será esencial para decir si las direcciones de llegada de los rayos cósmicos son caracterizadas por patrones sutiles en grandes escalas en el universo, o si son completamente aleatorias.
El proyecto Auger fue propuesto por primera vez en 1992 por Jim Cronin y Alan Watson. Hoy más de 200 físicos de 65 instituciones alrededor del mundo están colaborando para la construcción del Observatorio Sur. Los 15 países participantes dividen los costos de construcción del Observatorio de 50 millones de dólares, cada uno contribuyendo con una pequeña parte del valor total. Alan Watson y Giorgio Matthiae son los actuales representantes del proyecto, y Jim Cronin es el representante emérito.