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Ciencia

Llegan los rayos cósmicos

Decenas de detectores entran en operación en el Observatorio Pierre Auger y recogen las primeras informaciones sobre las partículas que viajan 150 millones de años luz antes de llegar a la Tierra

La provincia argentina de Mendoza, conocida como la principal productora de vinos de ese país, está ganando terreno en otro sector de actividad: el científico. En un área semidesértica enclavada al pie de la Cordillera de los Andes, bajo un clima seco y con una temperatura amena, se está plasmando un proyecto internacional de estudio de los rayos cósmicos, las partículas de más alta energía encontradas en la naturaleza, que pueden contar un poco mejor que lo que se sabe hoy en día, la historia de cómo surgió el Universo y como éste adquirió sus formas actuales.

Tras dos años de trabajo y una compleja articulación nacional e internacional (lea Pesquisa FAPESP 56), se ha finalizado la construcción de los edificios administrativos, los talleres y las obras de infraestructura del Observatorio Pierre Auger de Rayos Cósmicos, que congrega a 250 científicos de 19 países y cuenta con un presupuesto de 54 millones de dólares. La FAPESP participa de este proyecto de dos maneras: con alrededor de un millón de dólares, aproximadamente un tercio de la participación brasileña, financiada también por los programas de apoyo a la investigación del Ministerio de Ciencia y Tecnología (MCT), y en la propia gestión del mismo – desde noviembre del año pasado, el director científico de la Fundación, José Fernando Perez, ocupa la presidencia del comité financiero del Pierre Auger.

En este momento, en un espacio que a veces recuerda el refinamiento de una nave espacial y en otras ocasiones a las obras robustas de una hidroeléctrica, decenas de obreros, técnicos e investigadores trabajan intensamente en el montaje de los instrumentos de medición de los rayos cósmicos. Uno por uno, los detectores van comenzando a funcionar y, a medida que registran las primeras partículas que caen del cielo, se respira con alivio, porque se verifica que el proyecto del mayor laboratorio para el estudio de los rayos cósmicos que ya se haya construido en el mundo continúa de acuerdo a lo esperado.

En Pampa Amarilla, un desierto situado en los alrededores de Malargüe, una ciudad ubicada a 450 km. de Mendoza, la capital de la provincia, y a 70 km. de Las Leñas, una estación de esquí, se encuentran en funcionamiento 40 detectores de superficies, los llamados tanques Cerenkov. Cada uno de estos tanques contiene 11 mil litros de agua pura, que captan la radiación azulada producida cuando un rayo cósmico se encuentra con el agua. También se encuentran ya operando dos telescopios de fluorescencia, los llamados ojos de mosca, capaces de registrar la luz producida por la radiación cósmica al entrar en colisión con la atmósfera terrestre.

Los telescopios están instalados en un edificio construido en el cerro Los Leones, que se destaca en el paisaje debido a que es unos 15 metros más alto que la planicie y, principalmente, a causa de la torre de observación de 51 metros. El segundo conjunto de telescopios estará alojado en otro edificio, que se encuentra en su fase final de construcción, ubicado en el cerro Coihueco. Los investigadores se mostraron exultantes en diciembre pasado con los primeros 21 eventos híbridos – cuando las mismas partículas son registradas por los telescopios y por los detectores de superficie.

Otro avance: el primer evento de oro o golden event, como los llaman, se registró el día 17 de enero, a las 2h49. Un evento de oro es un híbrido especial, visto al mismo tiempo por un telescopio de fluorescencia y por tres o más tanques – y es importante porque, cuando se tiene más de un punto simultáneo de registro, es más fácil calcular la velocidad, la dirección y la energía de los rayos cósmicos.

Progresos
“Estamos muy animados, ya que los resultados de los detectores de fluorescencia y de los tanques están coincidiendo”, comenta el físico escocés Alan Watson, de la Universidad de Leeds, Reino Unido, uno de los mentores del proyecto. Hace exactos diez años que Watson y el estadounidense James Cronin, de la Universidad de Chicago (premio Nobel de Física de 1980), Estados Unidos, lanzaron la concepción del Pierre Auger en un encuentro de físicos realizado en París. “Desde la ceremonia de lanzamiento del observatorio, en marzo de 1999, hemos hecho progresos fantásticos”, evalúa Watson.

Hasta ahora, los detectores registran apenas partículas con energía 300 veces menor que las que se pretende realmente capturar. Pero a medida en que se instalan más tanques y telescopios, crece la probabilidad de que se detecten partículas de altísima energía – comparable a la de una bola de tenis de cerca de 100 gramos en el momento en que parte de un saque potente de un tenista profesional, a una velocidad de 200 km. por hora.

Evidentemente, no se tiene la menor idea acerca de cuándo los detectores y los telescopios van acusar la llegada de la primera de esas partículas. Puede ser en cualquier momento. Ya está todo preparado: en los tanques existen sensores y procesadores que instantáneamente transmiten las informaciones sobre los rayos que caen al agua, por medio de ondas de radio, a los edificios de los telescopios de fluorescencia. Desde allí, los datos de los tanques y de los propios telescopios van vía internet hacia el edificio central del Observatorio, ubicado en la zona urbana de Malargüe.

Pero los investigadores tiene que contener su ansiedad porque ya saben: los rayos cósmicos que pretenden estudiar son sumamente raros. “Uno de los mayores problemas de la investigación en este área”, dice el físico estadounidense Paul Mantsch, gerente del proyecto, “es que llega a la Terra apenas una partícula de altísima energía por kilómetro cuadrado por siglo”. Ésa es la razón por la cual se pretende ampliar rápidamente el área ocupada por los detectores – cuanto mayor es el área, mayor es la probabilidad de registrar la llegada de esos viajeros del espacio. Los 1.600 detectores de superficie y los 30 telescopios de fluorescencia que serán instalados hasta 2004 van a esparcirse por 3 mil km. cuadrados, el doble del área ocupada por la ciudad de São Paulo.

Los tanques – cada uno con 3,7 metros de diámetro y 1,2 metro de altura y, por alguna razón, identificados con nombres de mujeres, como Laura, Carmen, Fabiana y Flavia- son colocados a 1,5 km. de distancia uno del otro en medio a una vegetación rala, entremezclada con viñedos y olivos. En medio de la inmensa planicie, quebrada al fondo por la Cordillera de los Andes, aparentemente próxima, pero en realidad ubicada a decenas de kilómetros de distancia, hay también unas vacas pastando. Cuando éstas se acercan a los detectores, constituyen un fiel testimonio de la posibilidad de convivencia entre la tradición gaucha y la ciencia del siglo XXI.

Comunicándose en inglés, el idioma oficial, pero entendiéndose también en español, aunque se escuchan también, empero más raramente, conversas intrigantes (¿será griego, polonés, ruso?), quienes trabajan en esos campos no pierden de vista las metas del cronograma: en julio deberán estar en operación 100 tanques, y el año terminará con 300 de éstos captando informaciones sobre las partículas que llegan desde el cielo. En 2004, una vez terminada la construcción del observatorio en Argentina, el ritmo frenético de trabajo se trasladará a los alrededores de Millard County, en Utah, Estados Unidos, en donde se construirá la segunda mitad del observatorio, de manera tal de rastrear rayos que llegan también al Hemisferio Norte.

En cada uno de los observatorios, los físicos esperan registrar anualmente 30 rayos cósmicos de altísimas energías, del orden de los 1020 (el número 1 seguido de 21 ceros) electrones-Volt (eV, la unidad de medida de la energía de las partículas atómicas). Hasta ahora se han registrado cerca de una decena de eventos con energía superior a ese nivel, observados en el Akeno Giant Air Shower Array (Agasa), en Akeno, Japón, y en el Fly’s Eye Group en Utah, Estados Unidos. “Debido a que estamos en el Hemisferio Sur, tendremos el privilegio de observar los rayos cósmicos que llegan desde el centro de la Vía Láctea”, observa Carlos Ourívio Escobar, profesor titular do Departamento de Rayos Cósmicos de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) y representante brasileño en el proyecto.

Pero el hecho de que lleguen desde la región más densa de nuestra galaxia, desde su centro, no significa que los rayos cósmicos se formaron allí. Unas partículas que llegan con tanta energía, suponen los físicos, deben haber sido producidas en un local relativamente próximo, a cerca de 150 millones de años luz – en los alrededores de la Vía Láctea. “Uno de los modelos actualmente estudiados para explicar los rayos cósmicos de altísima energía”, comenta Escobar, “atribuye esa radiación a la desintegración de partículas superpesadas, reliquias del Big-Bang aprisionadas en las galaxias vecinas e incluso en la nuestra, que solamente ahora estarían desintegrándose”. Las partículas madres, por lo tanto, tendrían una edad aproximada de 15 mil millones de años, idéntica a la del Universo.

Dos preguntas básicas acosan los físicos. Una de éstas se refiere al origen de los rayos cósmicos, y la otra, a hechos de que los mismos son, en un lenguaje más informal, paquetes ambulantes de energía intensa. Un electrón, que tiene normalmente menos de 10 eV, puede ser acelerado hasta 20 millones (107) de eV para irradiar y destruir tejidos con cáncer – pero aun así, su intensidad es 120 veces menor que la de las partículas aguardadas en Argentina.

Misterios
Ya se da como seguro que los rayos cósmicos son protones, uno de los elementos del núcleo atómico, casi 2 mil veces mayor que los electrones. Pero no se sabe cómo éstos pueden exhibir una energía 100 millones de veces superior a la de las partículas del mismo tipo producidas en el Tevatron, el más poderoso acelerador de partículas del mundo, situado en el Fermilab, Estados Unidos. “La física teórica no prevé los mecanismos de producción de energía tan alta”, dice Mantsch.

Lo que se conoce razonablemente bien es el escándalo que provocan cuando llegan a la Tierra, adonde llegan literalmente echando chispas. Al entrar en colisión con la atmósfera, a una velocidad cercana a la de la luz (300 mil kilómetros por segundo), los rayos cósmicos inician una cascada de partículas, que se vuelve mayor y más densa a medida en que se aproxima a la superficie. Las sucesivas colisiones con las moléculas de hidrógeno del aire originan partículas de otros tipos, como electrones, fotones, piones y muones, y producen una luz que puede ser observada a distancia – los espejos de los telescopios y los fotodetectores captan esa luminosidad a 20 km. del punto en el que ésta fue generada. Una cascada de rayos cósmicos con energía de 1020 eV origina centenas de miles de millones de partículas, cubre cerca de 50 km. cuadrados y dura cerca de 10 millonésimas de segundo.

Puede tenerse la impresión de que se ha avanzado poco desde que el físico francés Pierre Victor Auger (1899-1993) relató, en 1938, la primera lluvia o cascada de rayos cósmicos de alta energía: de 1015 eV, 10 millones de veces mayor que cualquier otra conocida a la época. Ocurre que la investigación en rayos cósmicos atraviesa un problema dramático: no es la rapidez de los fenómenos (en los aceleradores de partículas las colisiones tienen duraciones cercanas a la informada por Auger), sino la escasez de materia prima de alta calidad: cuanto mayor es la energía, más raras son las partículas. Si la energía crece diez veces, el número de partículas cae 100 veces. Mantsch, en uno de los artículos que escribió sobre el Pierre Auger, hizo las cuentas: los rayos cósmicos más energéticos tienen más de 1019 eV – y solamente uno de éstos llega a la Tierra por kilómetro cuadrado al año. Para las partículas con 1020 eV, el número cae a una por kilómetro cuadrado por siglo.

Desde luego, y más allá de los resultados preliminares anunciados en la Conferencia Internacional de Rayos Cósmicos realizada en octubre del año pasado en Hamburgo, Alemania, existe otra forma de evaluar el impacto del observatorio instalado en Argentina – y en la propia tierra en la que este cobra forma. Las obras de infraestructura y, después, el montaje dos tanques, absorbieron decenas de operarios despedidos por YPF, una de las mayores empresas de la región, que desistió de la prospección de petróleo y se concentrará apenas en las áreas de explotación ya existentes.

Asimismo, los cursos de inglés proliferaron en Malargüe, la ciudad adquiere aires internacionales, con tantos huéspedes de lenguas tan diferentes, y sus habitantes, pasada ya la inhibición inicial, muestran actualmente interés por el proyecto: uno de los paseos de fin de semana consiste en visitar la sede del observatorio, con tanques y obras de arte. Con el tiempo, es probable no solamente que caigan del cielo partículas más energéticas, sino también que la producción de conocimiento científico sobre rayos cósmicos sea un motivo de orgullo para los habitantes de Mendoza, como lo son los vinos.

Equipamientos provenientes de los cuatro rincones del mundo
El Observatorio Pierre Auger cuenta con equipos de 19 países: Alemania, Argentina, Australia, Bolivia, Brasil, China, Eslovenia, España, Estados Unidos, Franca, Grecia, Italia, Japón, México, Polonia, Reino Unido, República Checa, Rusia y Vietnam. “De una manera general, el 80% de la contribución de los países consiste en componentes”, comenta el físico argentino Carlos Hojvat, subgerente del proyecto.

Los productos brasileños ya se encuentran allí desde hace algún tiempo. Desde el inicio del año pasado, la empresa Alpina, de São Paulo, envía los tanques Cerenkov, en viajes que no demandan menos de dos semanas. La firma Schwantz, de Indaiatuba, fabrica las lentes correctoras, mientras que Equatorial, de São José dos Campos, montará un dispositivo de 2,5 metros de diámetro que permitirá la regulación automática de las lentes de los telescopios y los shutters (obturadores), que exponen al telescopio para la observación nocturna.

Argentina contribuye con la infraestructura y con las máquinas de purificación del agua. También va a fabricar una parte de los tanques y de las baterías para los paneles solares que alimentan a los detectores de superficie, en una tarea compartida con los mexicanos y los estadounidenses. De Australia llegan los detectores de nubes, y de Franca, los dispositivos electrónicos para los detectores de superficie. Los checos envían los espejos de los telescopios, y los españoles, los paneles solares de los tanques. Los detectores de luz fluorescente de los telescopios se conectarán a las cámaras italianas, y los comandos electrónicos fueron hechos en forma dividida por los ingleses y por los alemanes.

EL PROYECTO
Observatorio Pierre Auger
Modalidad
Proyecto temático
Coordinador
Carlos Ourívio Escobar – Unicamp
Inversión
R$ 1.884.287,12

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