Colaboración SWGO (SWGO significa Observatorio Gamma de Campo Amplio del SurReunidos esta semana en Heidelberg, organizados por el Instituto Max Planck de Física Nuclear (MBIK), sus miembros discutieron el progreso en los numerosos pasos del observatorio para finalizar su diseño y prepararse para la próxima fase de construcción.
Como miembro de la colaboración, he podido conocer en detalle muchos desarrollos nuevos, pero no puedo discutirlos aquí porque están en curso con mis colegas. Sin embargo, lo que puedo hacer aquí es describir cómo pretendemos construir el observatorio y algunas de las cosas que se han decidido y ahora son públicas.
Una de ellas –una de las más importantes, de hecho– fue la decisión de construir un laboratorio en Pampa La Bola, un terreno llano en lo alto de las montañas al este del pueblo de San Pedro (4770 metros sobre el nivel del mar). de Atacama, un lugar muy famoso en el norte de Chile (escribí sobre este sitio y pegué varias fotos aquí, en un post anterior). El sitio es parte de un área denominada «Parque Astronómico», que contiene muchos instrumentos y experimentos científicos, y fue dedicado exclusivamente a la ciencia por el gobierno chileno. El más famoso de los experimentos existentes es ALMA.
ALMA es un conjunto de radiotelescopios de interferencia de radio con antenas parabólicas que se pueden mover en enormes camiones especializados que pueden proporcionar una resolución muy alta (cuando las antenas se alejan unas de otras) o un amplio campo de visión. (cuando se colocan muy juntos). Pero puedo volver a SWGO…
SWGO tiene la intención de utilizar detectores Cerenkov a gran altura para detectar rayos gamma de muy alta energía, una excelente manera de mejorar nuestra comprensión de muchas fuentes en nuestra galaxia y el espacio. ¿Por qué gran altitud, por qué detectores Cherenkov? Respondo estas preguntas obvias a continuación.
Los dos componentes básicos de un conjunto terrestre de detectores de rayos cósmicos
1) Primero: ¿cuál es el fenómeno que queremos observar? Lo que seguimos se llama Lluvia Atmosférica Extendida (EAS). Se forma cuando un rayo gamma de alta energía (a veces digo aquí un fotón, es un cuanto de radiación gamma) golpea la atmósfera superior y golpea con fuerza un átomo de oxígeno o nitrógeno. El rayo gamma resultante se convierte en un par electrón-positrón (un proceso llamado «producción de pares»).
El electrón y el positrón producidos comparten la energía inicial y la dirección del rayo gamma entrante y pronto chocan con otros átomos, donde se someten a un proceso llamado «bremsstrahlung» y emiten un nuevo fotón. El fotón recién producido puede volver a producir un par, por lo que el proceso puede multiplicarse en una lluvia masiva de electrones, positrones y fotones. Esta lluvia continúa expandiéndose a medida que las partículas viajan a través de la atmósfera, pero la energía de cada partícula se hace más pequeña y se disipa a medida que son absorbidas gradualmente en el aire. Para ser sensibles a la energía y dirección de los rayos gamma primarios, estas partículas de lluvia deben detectarse mediante un experimento antes de extinguirse, por lo que el observatorio Altura Es un requisito muy importante.
2) Luz Cherenkov El mismo material es emitido por partículas cargadas que se mueven a través de un medio con velocidades mayores que la velocidad de la luz. Esto es posible porque la velocidad de la luz disminuye en un medio denso: la velocidad de la luz en un material es en realidad igual a c/n, donde c=299790 km/segundo es la velocidad de la luz en el vacío y n es la refracción. índice del material. . Dado que el agua tiene un índice de refracción de n=1,33 (a 20 grados), cualquier partícula cargada eléctricamente emitirá luz Cherenkov si tiene una beta rápida (en unidades de c) mayor que 1/n. La luz se emite en un cono alrededor de la dirección de la partícula, similar a las ondas sónicas de un avión que viaja más rápido que la velocidad del sonido. Con tubos amplificadores de luz en agua, es fácil detectar la luz e inferir información sobre la cantidad de partículas que pasan a través de la escala y su energía.
La disposición más simple de un detector Cherenkov es un tanque lleno de agua, donde se observa la masa de agua mediante detectores fotosensibles. Sin embargo, se puede imaginar un esquema diferente en el que se colocan bolsas llenas de agua (vejigas) debajo de la superficie del lago. La opción del lago elimina la necesidad de un tanque físicamente estable que contenga agua, pero implica otros requisitos logísticos.
3) Bueno, mentí. Hay tres elementos a considerar. No sólo detectamos y medimos lluvias de rayos gamma; Tenemos antecedentes para resolver. Los protones de alta energía y los núcleos ligeros también golpean nuestra atmósfera; de hecho, lo hacen a un ritmo mayor que los fotones de alta energía. ¿Cómo podemos distinguirlos de nuestra señal? Muchos de los procesos que ocurren cuando un protón golpea nuestra atmósfera son similares a los rayos gamma, pero hay una diferencia.
A diferencia de lo que sucede en una lluvia de fotones, una lluvia de protones produce muchos piones y kaones cargados (ninguno de los cuales esperamos en las lluvias de rayos gamma). Los piones y los kaones son partículas de vida corta y se desintegran en muones a medida que descienden; Los muones pueden llegar al suelo antes de descomponerse. Si podemos distinguir los muones de otras partículas que llegan a la Tierra, sabremos que la lluvia no es causada por rayos gamma, sino por un protón o fotón, por lo que podemos descartarlo.
Es posible distinguir los muones de los electrones y positrones que impactan en nuestros tanques detectores porque los muones atraviesan grandes masas de materia sin detenerse. Por el contrario, los electrones y positrones sólo pueden viajar a través de agua de espesor limitado. Colocando dos tubos amplificadores de luz, uno mirando hacia arriba y otro hacia abajo, en un tanque alto lleno con 3 o más metros de agua, se puede distinguir la luz Cerenkov producida por partículas de bajo poder de penetración (electrones y positrones). ¡La luz creada por los muones ilumina hasta el fondo del tanque!
Arriba: una vista de cómo luce SWGO y un tanque Cherenkov. También puedes ver un boceto (en rojo) de cómo se vería una lluvia de rayos gamma en el centro.
Dónde crear SWGO
La decisión de construir SWGO en las montañas chilenas se tomó tras una cuidadosa consideración de varias alternativas: en particular, dos sitios en Perú y un sitio en Argentina. En Perú existía la oportunidad de construir un observatorio en un lago de gran altitud, mientras que el sitio de Argentina era similar al de Chile.
Los costos de construcción, los materiales, el agua, así como los factores logísticos y los riesgos asociados con las diversas opciones fueron evaluados cuidadosamente antes de tomar una decisión, ya que científicos de varios países e instituciones habían centrado sus estudios en una sola durante muchos años, lo cual era difícil. En cuanto a las opciones, no es fácil decir que todo el trabajo de investigación realizado por sus colegas no ha dado un resultado concluyente.
En particular, la construcción, el despliegue, el mantenimiento y los efectos climáticos de una serie de detectores en un lago (las olas son difíciles de superar, por ejemplo, y en un lago alto es fácil que alcancen una altura de 1 m).
Pero la opción de construir una serie de tanques detectores en Chile también implica problemas. En particular, transportar el agua necesaria para llenar los detectores desde largas distancias es muy problemático: Pampa La Bola y todo el Parque Astronómico se encuentran en lo alto del desierto, sin fuentes de agua cercanas.
Dado el número nominal de unidades detectoras que SWGO originalmente pretendía construir (del orden de 6000) y la cantidad de agua que tendrían que contener (alrededor de 50 toneladas cada una), el agua tendría que ser lo suficientemente profunda como para permitir la discriminación. Los muones de electrones, positrones y fotones son característicos de las lluvias visibles de rayos gamma, que reducen 300.000 toneladas de agua. ¡Mucha agua para transportar de 2000 a 4800 metros por una carretera sinuosa con camiones! Desafortunadamente, no parece haber ninguna alternativa viable: el coste del transporte es muy alto, ¡pero esto es esencialmente relativo a la ganancia de energía obtenida al mover el agua río arriba!
El futuro de SWGO
Las empresas que participan en la colaboración SWGO ahora tienen que convencer a sus agencias financiadoras del valor científico de desarrollar un detector de rayos gamma en el hemisferio sur.
El argumento científico es realmente muy sólido: el observatorio LHAASO construido en China con el mismo propósito está produciendo muchos resultados sorprendentes y no tiene acceso a fuentes ubicadas en el hemisferio sur, incluido el centro galáctico. Entonces, debido a que SWGO es sensible a los rayos gamma, se esperan nuevos descubrimientos científicos que ningún otro instrumento puede medir. En mi opinión, ¡unas pocas decenas de millones de dólares para el cartel es dinero bien gastado! Sin embargo, las agencias de financiación pueden argumentar en contra de asignaturas optativas específicas y programas alineados de forma colaborativa.
Entonces, si quieres saber más sobre nuestro universo, su nacimiento, los monstruos que contiene y las posibles fuentes de materia oscura y otros descubrimientos que esperan ser realizados, ¡únete a mí para apoyar el SWGO que pronto se realizará! Como escribió Dante Aligheeri hace unos 700 años: «Fatte non foste a viver come bruti, ma per seguir virtute e canoscenza». ¡Quiso decir que los humanos deberían invertir en conocimiento!
De hecho, creo que si se puede desarrollar una herramienta como SWGO, es un imperativo moral de la humanidad hacerlo. Si quieres gastar dinero en nuevas armas (el presupuesto anual de Estados Unidos es 10.000 veces el coste de toda la línea SWGO), o si crees que el 0,01% de la riqueza de las personas más ricas del planeta no se lo pueden quitar los impuestos más altos en beneficio del conocimiento humano, podríamos haber evolucionado hacia especies diferentes: uno de nosotros sería el Homo sapiens y el otro el Homo sapiens stupius. Te dejaré decidir cuál es cuál.
