Volumen 5 - Nº35 - 1996

Revista de Divulgación Científica y Tecnológica de la
Asociación Ciencia Hoy

ARTICULO

El Proyecto Pierre Auger


Si las fuentes en cuestión estuviesen relativamente cerca, deberían ser objetos astrofísicos observables por métodos convencionales, como la astronomía óptica o la radioastronomía. De los nueve rayos cósmicos de energía ultraelevada registrados, dos despertaron gran interés. El más energético, con 3,2x 1 020eV, fue detectado por un telescopio flyps eye (ojo de mosca, tipo que se comentará más adelante) en Utah, y el segundo. con 2x 1 020eV, se registró en Akeno, Japón. Dadas las direcciones de incidencia observadas, en nínguno de los dos casos se lograron identificar claramente fuentes convencionales cercanas, aunque hay dos posibles. Tampoco se conocen a ciencia cierta los mecanismos de aceleración, pero últimamente se han sugerido algunos cuya viabilidad aún debe verificarse median-te datos experimentales. Tales acelerado-res cósmicos deben realizar la proeza de eyectar partículas con energías mayores que l020eV, cien millones de veces mayo-res que las alcanzadas en el más potente acelerador construido, el Tevatrón, emplazado en el Fermilab, cerca de Chicago. Si bien las fuentes cósmicas deben ser cercanas, no pueden estar en nuestra galaxia. pues ella carece de las dimensiones y del campo magnético que se necesitarían (ver recuadro 'Aceleradores cósmicos').

En cuanto a qué son las partículas en cuestión, los candidatos normales serían los protones, los neutrones, los rayos gamma. los neutrinos y los núcleos pesados (estos son menos probables, pues en su viaje por el espacio chocan repetidamente con la radiación de fondo y tendrían alta probabilidad de desintegrarse).

Las cuestiones de proveniencia y modo de aceleración están muy relacionadas entre ellas, pues ambas ayudan a individualizar una fuente que debe estar cerca y para la que hay pocos candidatos. Un indicio para resolver el misterio está dado por las energías mayores que 1020eV. La trayectoria de las partículas. en esencia, debe ser una línea recta, pues los campos magnéticos intergalácticos son muy débiles y no alcanzarían para curvaría significativamente. Esta particularidad (elevada rigidez magnética) debería permitir identificar la fuente, pues, observando la dirección de llegada, se puede reconstruir con poco error la trayectoria en el cosmos. Para explicar la índole de las partículas, podría ser necesario postular la existencia de una nueva clase de estas, quizá la misma que correspondería a la llamada materia oscura, que puede llegar a propagarse enormes distancias sin perder energía, por su muy baja probabilidad de interacción con la materia conocida.

¿Qué hacer para contestar las tres preguntas enunciadas? Para los físicos experimentales la respuesta es clara: hay que registrar más sucesos. La forma de lograrlo es construir detectores que cubran un área considerablemente más grande que los actuales. Así como Victor Hess, en la primera de muchas aventuras románticas corridas por los físicos con el afán de estudiar los rayos cósmicos, logró descubrir la radiación que descargaba los electroscopios balanceándose en un globo a 5000 metros de altura, hoy, muchos años después, se inicia otra de esas aventuras. Hace poco, una veintena de países decidió montar dos observatorios, uno en cada hemisferio, con el propósito de obtener los registros adicionales requeridos; esa es la iniciativa que recibió el nombre de proyecto Auger (ver recuadro 'Participantes'). Como no sabemos hacía dónde mirar para establecer la proveniencia de los chubascos Cósmicos, es crucial observar la mayor porción posíble del espacío: la instalación de dos observatorios obedece a la necesidad de escudriñar regiones diferentes del cielo y contrastar sus resultados. La búsqueda podría conducir a nuevas fronteras del Conocimiento y la idea inicial del proyecto es otorgar atención preferente a aquellos sucesos en los que se registren energías mayores que 1020eV.

 

PARTICIPANTES

Al momento, participan en el proyecto Auger científicos y técnicos de Alemania, Argentina, Armenia, Australia, Bolivia, Brasil, China, EE.UU., España, Francia, Gran Bretaña, India, Italia, Japón. México, Rusia, Suecia, Suiza y Vietnam. La conducción está en manos de James Cronin, de la universidad de Chicago, premio Nobel de física de 1980. Entre otras instituciones, intervienen numerosas universidades de los mencionados países, el Fermi National Laboratory (Fermilab), la Universities Research Association Inc., la Granger Foundation, la National Science Foundation (los Cuatro de los EE.UU.) y la UNESCO.

Las comunidades científicas argentina y brasileña desempeñarán un lugar destacado en esta aventura científica. Del lado argentino, se cuenta con fisicos y astrónomos pertenecientes al laboratorio Tandar; de la Comisión Nacional de Energía Atómica, la Comisión Nacional de Actividades Espaciales, el Instituto Balseiro/Centro Atómico Bariloche, las facultades de ciencias exactas y naturales de las universidades de Buenos Aires y La Plata, el Instituto de Astronomía y Física del Espacío, el Instituto Argentino de Radioastronomía y el Centro Regional de Investigaciones Científicas y Técnicas de Mendoza (los tres últimos parte del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas). Del mismo modo, la comunidad científica brasileña ha tomado un fuerte compromiso con el proyecto; su sólido apoyo fue crucial para decidir emplazar el observatorio austral en la Argentina.

Los avances recientes en materia de Comunicaciones entre computadoras, usando telefonía celular, electrónica de baja potencia, energía solar y señales temporales muy precisas de satélites (global Positioning satellital system, GPS), permiten montar sistemas de detección autónomos extendidos sobre una gran superficie (unos 6000km2 para los dos observatorios) que, se espera, puedan develar los secretos de una violencia cósmica cuyo resultado son las partículas de mayor energía observadas hasta ahora en el universo. En el pasado tal empresa habría resultado imposible, por la ausencia de los avances técnicos mencionados. El más grande observatorio actual, en Japón, ocupa un área de apenas 100km2, insuficiente para reunir una razonable cantidad de información, dada la frecuencia mencionada de una partícula por km2 y por siglo.

Se espera que, en diez años, el proyecto Auger habrá registrado unos 600 rayos Cósmicos de energía mayor que 1020eV número posiblemente suficiente para individualizar las fuentes, que deben provenir de regiones bien localizadas del espacio. Aun si se mantuviera la tendencia observada de que el flujo de partículas depende inversamente de su energía, es decir, que el número de detecciones decrece 100 veces por cada factor 10 de aumento en la energía, también se obtendrían cinco registros con energías mayores que I021eV. En caso de fracasarse en la identificación de las fuentes, habrá que buscar nuevas soluciones, como considerar los llamados defectos topológicos (ver recuadro 'Defectos topológícos'), singularidades remanentes de los primeros instantes de existencia del universo.

El chubasco cósmico se mueve a considerable velocidad. Al atravesar el gas de la atmósfera, sus componentes se van frenando, por las interacciones que se producen. Mientras tienen lugar los procesos nucleares mencionados antes, en la escala atómica (es decir, en una escala mayor que la nuclear) se producen interacciones de origen puramente electromagnético, que remueven algunos de los electrones atómicos del gas y dejan átomos ionizados (o sea, con carga eléctrica neta distinta de cero). Los electrones remanentes se reacomodan saltando entre órbitas, para migrar hacia el estado de menor energía, proceso del cual resulta una emisión de radiación electromagnética, en su mayor parte en la región del ultravioleta. Qué lástima que no podamos ver estos chubascos de radiación cósmica. Podrían ser un espectáculo formidable en noches despejadas y sin Luna; pero son extremadamente débiles y. por consistir en rayos ultravioletas, están más allá de la capacidad de nuestros ojos, de modo que sólo es posible registrarlos mediante instrumentos especiales. Estos recogen la mayor cantidad posible de esa luz y la concentran sobre un detector muy sensible mediante grandes espejos esféricos o parabólicos, que enfocan la radiación sobre un conjunto de dispositivos muy sensibles, llamados fotomultiplícadores. El conjunto de detección formado por los espejos, cada uno con fotomultiplícadores en su centro o foco, constituye un telescopio que, por su apariencia, recuerda al ojo de una mosca, nombre con que fue bautizado. Por medio de impulsos eléctricos, el ojo de mosca permite reconstruir la forma, dimensión, dirección y energía de la partícula primaria incidente.

DEFECTOS TOPOLÓGICOS
Nos Cuesta entender cómo un acelerador cósmico pueda incrementar gradualmente la energía de una partícula hasta los 1020eV. Pero, tal vez, no es ese el mecanismo por el que una partícula adquiere tal energía, sino que, simplemente, podría 'nacer' con ella. Sin embargo, esta solución, la más simple, Constituiría una revolución de la física y de nuestro conocimiento del universo, y por esta razón deberá ser muy cuidadosamente contrastada con los resultados de experimentos antes de ser aceptada. El modelo estándar (véase 'El último quark', CIENCIA HOY Nº 26) plasma nuestro conocimiento de las partículas elementales -que son doce- y logra clasificarlas; por otra parte, se han inferido en forma experimental sus respectivas masas, las que están muy lejos de l020eV (recuerde nuevamente el lector la equivalencia entre masa y energía). Para alcanzar esa masa/energía tendríamos que estar en presencia de una nueva partícula supermasiva, como la X que postulan las grandes teorías unificadas (grand Unífíed theories, GUTS, es decír, agallas), que decaería en una variedad de otras entidades con muy altas energías (las asociadas con las GUTS son del orden de 1 024eV).

Una fuente de partículas X serian las cuerdas cósmicas, defectos topológícos del universo temprano en forma de estructuras filiformes (de allí su nombre); al encontrarse dos de ellas, según la teoría, interaccionarían fuertemente, con gran acumulación de energía inestable que se desintegraría en una explosión de partículas de la GUT. Una sencilla forma de identificar las cuerdas cósmicas podría ser advertir la presencia de un mayor de flujo de rayos cósmicos de alta energía, que no podría ser explicada por los mecanismos convencionales de aceleración, pues, según ellos, se producen partículas en una gama continua de energía. mientras las cuerdas cósmicas podrían generar partículas con determinado valor especifico de energía.


Los chubascos originados por partículas cósmicas con altas energías pueden ser registrados en la superficie de la Tierra por distintos tipos de detectores. Algunos se basan en la ionización de la materia causada por el paso de la radiación, que Iibera cargas en el detector (igual que los chubascos lo hacen en la atmósfera) y. al ser estas recolectadas mediante campos eléctricos, originan una corriente cuya medición acusa el paso del chubasco. Hay detectores basados en el efecto Cherenkov, que se produce cuando una partícula cargada se mueve en un medio transparente con velocidad mayor que la que tendría la luz en dicho medio (igual a la que esta tiene en el vacío dividida por el índice de refracción del medio). En tales circunstancias ocurre una perturbación electromagnética que ocasiona emisión de luz, fenómeno con alguna similitud con la estela de una embarcación rápida que navega en aguas en reposo. En el caso de la partícula, la luz resulta emitida dentro de los limites de una superficie cónica, cuyo vértice es el punto en que la partícula entró al detector y cuya directriz es la dirección de su movimiento. Aprovechando el efecto Cherenkov -que lleva el nombre de Pavel Alexeievich Cherenkov, quien recibió el premio Nobel de física en 1958 por haberlo descubierto-, un tanque de agua hermético y oscuro puede servir como detector sí se le agregan algunos fotomultiplicadores similares a los empleados en el ojo de mosca.