19/Ene/06

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Cazadores de rayos cósmicos en la Pampa

El origen de las escasas partículas de altísima energía contenidas en la lluvia invisible de rayos cósmicos que recibe la Tierra constantemente es el misterio que pretende resolver un original observatorio astrofísico. Ha empezado a funcionar en la Pampa Amarilla de Argentina y en él participan científicos y empresas españoles.

(El País) - La Tierra recibe constantemente una lluvia invisible de partículas procedentes del cosmos, los rayos cósmicos. Casi todas son núcleos atómicos o electrones que han empezado su viaje en nuestra propia galaxia, acelerados por los campos magnéticos de una supernova o del mismo Sol. Pero una pequeña minoría son 100 millones de veces más energéticas que las partículas generadas en los más potentes aceleradores terrestres. ¿De dónde vienen estas superpartículas cósmicas? ¿Qué fenómeno puede acelerarlas tanto? Pretende hallar la respuesta el observatorio internacional de rayos cósmicos Pierre Auger, que para 2007 constará de 1.600 detectores de partículas instalados en la Pampa Amarilla argentina, una planicie a 1.400 metros de altitud llena de pantanos y vacas.

Ya hay instalados y en funcionamiento más de un millar de detectores. La presentación de los primeros datos científicos se celebró el pasado noviembre en Malargüe (Argentina), en un acto que convocó a representantes de los 16 países miembros del proyecto, entre ellos España y algunos poco habituales, como Vietnam o Bolivia. El coste estimado del observatorio, que estará terminado hacia finales de este año, ronda los 41 millones de euros. Para un poco más adelante queda la construcción de otro observatorio gemelo en Colorado (EE UU) con el objeto de cubrir también el hemisferio norte.

"Los rayos cósmicos de más alta energía son mensajeros del universo extremo. Representan una nueva frontera del conocimiento", dijo durante la celebración el premio Nobel Jim Cronin, quien, junto a Alan Watson, de la Universidad de Leeds, propuso la construcción del observatorio en 1992.

El aspecto de la instalación no es tan espectacular como su concepto, pero es sólo porque resulta imposible abarcar con la mirada todo el observatorio. Los 1.600 detectores están separados entre sí 1,5 kilómetros, formando una malla que cubre 3.000 kilómetros cuadrados. Y hay poco de asombroso en cada uno de los detectores; son tanques cubiertos de unos dos metros de diámetro y un metro de alto, llenos de agua, con un panel solar y una antena.

¿Por qué tanto espacio? "De las partículas de muy alta energía llegan muy pocas, no más de una por kilómetro cuadrado cada siglo según las estadísticas. Así que, para detectar varias en poco tiempo necesitamos muchos kilómetros cuadrados", explica Luis del Peral, de la Universidad de Alcalá de Henares, una de las tres universidades españolas en el proyecto. De hecho, en todo el mundo se llevan detectadas hasta ahora unas pocas decenas de las partículas más energéticas, en las que se condensa una energía equivalente a la de una pelota de tenis moviéndose a 630 kilómetros por hora. Cuando el observatorio esté a pleno rendimiento se espera cazar una treintena de partículas de esa energía al año, que se duplicarían una vez en marcha el observatorio del hemisferio Norte.

En realidad no se detectan los rayos cósmicos en sí, sino la enorme cascada de partículas que éstos generan al llegar a la Tierra. Cuando chocan con las moléculas en la atmósfera se generan partículas secundarias que a su vez chocan con otras partículas atmosféricas, y vuelven a generar más partículas. "El resultado es que llegan al suelo miles de millones de partículas muy energéticas", explica el coordinador de la participación española, Enrique Zas, de la Universidad de Santiago de Compostela.

El nombre del observatorio se debe al descubridor, en 1938, de este fenómeno de las cascadas, el francés Pierre Victor Auger, fallecido en 1993. Dos años antes se había registrado en el detector Fly's Eye en Utah (EE UU) la cascada más intensa de que se tiene noticia hasta ahora, con 200.000 millones de partículas y una energía 300 millones de veces superior a la que es posible generar en los aceleradores terrestres. Y poco después el fenómeno se repetía en otro detector en Japón, dejando a los físicos absolutamente sorprendidos.

"Era como si hubieran ido a cazar mariposas y cazaran un avión F-111", explican los científicos en la página web del observatorio. Cuando las partículas de la cascada interaccionan con el agua de los tanques se emite luz que los detectores convierten en electricidad. Una misma cascada puede ser vista por decenas de detectores, que miden la hora de llegada de cada partícula con una precisión de 25 nanosegundos (mil-millonésimas de segundo). El tiempo es un parámetro clave, porque con él se puede medir la inclinación de la cascada y eventualmente identificar la región de procedencia del rayo cósmico.

Además de los tanques de agua completan el observatorio cuatro telescopios de fluorescencia, que detectan la luz ultravioleta emitida por las moléculas de nitrógeno en la atmósfera al interaccionar con las partículas de la cascada. Así se puede seguir el desarrollo de la cascada, a veces desde varios telescopios. "Son dos métodos de detección complementarios", explica Del Peral, quien da más detalles curiosos sobre esta combinación. "Los detectores de superficie trabajan las 24 horas; los telescopios, sólo las noches sin luna y buenas condiciones atmosféricas, que en la pampa son muchas".

Los primeros resultados presentados en noviembre aún no aclaran nada sobre el misterioso origen de las partículas cósmicas ultraenergéticas. Se confirma que se detecta una cantidad menor de partículas cuanto más alta es su energía, pero sigue sin saberse si llegan más partículas de unas regiones del cielo que de otras. Hasta ahora parecen llegar de todas partes indistintamente, lo que hace sospechar a los científicos que han iniciado su viaje fuera de la galaxia. ¿Desde dónde?

"Se han planteado multitud de hipótesis para explicar el posible origen de estas partículas, y todas son fascinantes", dice Zas. "Algunas requieren agujeros negros supermasivos en el centro de galaxias extremadamente luminosas y activas, otras sugieren correcciones a la teoría de la relatividad de Einstein, otras suponen que provienen directamente de partículas asociadas al Big Bang, otras las asocian a objetos que por ahora sólo existen sobre el papel, como las cuerdas cósmicas...".

De cada teoría surgen predicciones concretas —por ejemplo, la detección de un determinado número de partículas—, así que los físicos confían en que el estudio de estos rayos cósmicos de muy alta energía dé claves importantes para la comprensión del universo.

Participación española

El grupo de Enrique Zas, de la Universidad de Santiago de Compostela, se implicó en el proyecto desde sus comienzos, en 1995, cuando se consideraba la posibilidad de instalar el observatorio en España —en Tierra de Campos—. A pesar de que el grupo hizo contribuciones teóricas importantes, España no entró oficialmente en el proyecto hasta 2001. "Hasta entonces estábamos solos, no había masa crítica de investigadores en este campo en España", dice Zas. Ahora, junto al grupo de Santiago participan otros de las universidades Complutense de Madrid y Alcalá de Henares.

Además de trabajar en el análisis de los datos, los científicos son responsables de la aportación española en equipamiento, que son todos los paneles solares de los 1.600 detectores de superficie. Los ha construido la empresa Isofotón y su coste ronda el millón de euros, financiado por el Plan Nacional de I+D+i. Instalar los paneles, y en general los detectores, no está siendo nada fácil desde el punto de vista logístico. "Es un terreno en el que el nivel freático es bastante próximo a la superficie, así que con el deshielo enseguida se forma barro", cuenta Zas. "Continuamente se entierran los camiones, hay que tomar medidas de seguridad para que nadie se quede inmovilizado en medio de la pampa". Y otro reto es el mantenimiento de los equipos: "Los componentes tienen que ser muy fiables, porque reparar 1.600 si empiezan a fallar, en un terreno así...".

En este punto participa también el Instituto de Energía Solar (IES) de la Universidad Politécnica de Madrid, que, en colaboración con la Universidad de Santiago de Compostela, ha instalado un sistema para seguir al segundo el comportamiento de los paneles y las baterías. "Nuestra red de 1.600 estaciones constituye una instalación única", dice Zas.

Aportado por Eduardo J. Carletti