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EL PROYECTO PIERRE AUGER EN ARGENTINA

PROGRAMA DE ACTIVIDADES 2002 y RESPONSABILIDADES
DE LA COLABORACIÓN ARGENTINA


El Proyecto Pierre Auger estudiará los rayos cósmicos de mayor energía, focalizando su atención en energías en exceso de 5 x 1019 eV.  Aproximadamente a esta energía, y si estos rayos cósmicos provinieran de una distribución universal de fuentes, habría una reducción tajante del flujo sobre la tierra (efecto denominado ‘corte GZK’, por sus descubridores Greisen-Zatsepin-Kuz’min) debido a la degradación de energía a través de interacciones con la radiación de microondas de fondo presente en el universo. Dicho corte no ha sido experimentalmente observado y por lo tanto partículas con energías superiores deben provenir de fuentes cosmológicamente cercanas (150- 300 millones de años luz),  lo que hace posible su búsqueda.

Rayos cósmicos con energías ultra elevadas  inciden sobre la tierra con un flujo extremadamente bajo, estimado en 1/km2/siglo/sr, y por esta razón se decidió construir un observatorio a lo largo de 3.000 km2. Otra característica única y distintiva de Auger es su naturaleza híbrida: los rayos cósmicos serán registrados tanto por los detectores de superficie como por los telescopios de fluorescencia, permitiendo precisiones nunca aún alcanzadas por tratarse de dos sistemas distintos midiendo simultáneamente las mismas lluvias cósmicas, reduciendo por ende los errores sistemáticos de medición.

Resumen Ejecutivo

El Proyecto Auger ya ha detectado los primeros rayos cósmicos y terminará con la construcción del Observatorio “Pampa Amarilla” en Malargüe en 2005. En el presente documento se detalla el estado actual del proyecto y las responsabilidades de la Colaboración Argentina para 2002.

Introducción

Un rayo cósmico ultra energético, al chocar con las moléculas de aire en la atmósfera produce una lluvia de miles de millones de partículas cargadas moviéndose simultáneamente a la velocidad de la luz, atravesando la atmósfera en menos de 10 millonésimas de segundo. No existe aún una explicación satisfactoria acerca del origen de estos rayos cósmicos y la comunidad científica mundial está expectante que el Observatorio Pierre Auger permita resolver el misterio de dichos rayos, aportando nuevos descubrimientos fundamentales en la física y en la astrofísica, permitiendo un mejor conocimiento del universo y tal vez de su génesis. A tal fin se está construyendo, por físicos e ingenieros de 19 países, en los Departamentos de Malargüe y San Rafael, Provincia de Mendoza, un observatorio sobre un área de 3.000 km2 (unas 20 veces la superficie de la ciudad de Buenos Aires, ver Fig.1) compuesto por equipamiento y detectores de muy alta sofisticación. Este observatorio es varias veces superior tanto en tamaño como en instrumental a los actualmente existentes. 

Fig.1 Esquema del Observatorio, donde se están emplazando 1600 detectores de superficie en el área punteada en azul y cuatro conjuntos de telescopios marcados con círculos en los cerros Los Leones, Coihueco y Morados en la periferia y un cuarto central. Los telescopios se están instalando en el cerro Los Leones y a 10 km los detectores de superficie

Al igual que en los tubos fluorescentes en los que la luz es producida por partículas cargadas que viajan de un extremo al otro, las partículas cargadas de la cascada atmosférica excitan las moléculas de aire produciendo luz ultravioleta que puede ser detectada a grandes distancias por los telescopios del Observatorio Auger. Estos sensibles telescopios están compuestos de grandes espejos colectores y de fotodetectores de respuesta rápida capaces de medir a una distancia de 20 km o más, la tenue luz de fluorescencia que no es más intensa que la que produciría una lamparita surcando la atmósfera a la velocidad de la luz.

Los mencionados telescopios de fluorescencia forman parte del Observatorio. El mismo contará también con 1.600 detectores de partículas distribuidos a 1,5 km de distancia entre sí, que servirán para detectar las partículas de la lluvia que alcanza la superficie de la tierra (Fig.2).

Fig. 2 A la izquierda se muestra una visión esquemática de un telescopio de fluorescencia. La señal lumínica atraviesa el diafragma, incide sobre el espejo y es reflejada sobre los fototubos que la transforman en un pulso electrónico. A la derecha se ve un detector de superficie, consistente en un tanque de polietileno lleno con agua hiperpura, su panel solar y antena de telecomunicaciones. Las partículas de la lluvia cósmica al atravesarlo, generan en el agua una señal lumínica, que al igual que en los telescopios es transformada en una señal electrónica.

Sin lugar a dudas, la noticia reciente más importante, fue en junio de 2001 cuando la colaboración internacional del proyecto anunció la detección de los primeros chubascos cósmicos con el primer telescopio instalado en el cerro Los Leones. El nuevo instrumental es uno de los 30 telescopios de fluorescencia que formarán parte del gigantesco Observatorio Auger y la importancia de esta detección radica en que apenas puesto a funcionar el primer telescopio, midió los primeros chubascos cósmicos de acuerdo a los parámetros de diseño, dándonos enorme confianza de la marcha del proyecto. En julio de 2001 se midieron los primeros chubascos cósmicos con detectores de superficie. No esperamos tener datos de interés científico hasta finales del 2002.

La Fig. 3 ilustra datos acumulados por la computadora. A la izquierda se esquematiza la cámara de 440 fototubos (o píxeles) en celeste y en verde se resaltan aquellos fototubos con señal. Forman una traza, que avanza de abajo hacia arriba, por la inversión de imagen del espejo. A la derecha arriba se muestra el tiempo al que reaccionó cada píxel siendo el valor de cada intervalo de 1 ms, habiendo pasado entonces entre el primero y el último 11 ms. El gráfico inferior repite a la izquierda la cámara de fototubos, pero con un punto luminoso central en aquellos píxeles activados de los cuales se ve a la derecha las señales electrónicas individuales.

Se prevé que la construcción del observatorio Auger completo concluirá en el 2005 después de que los diferentes aspectos del diseño sean probados a lo largo de este año.


 

Fig.3 Datos registrados en una computadora de un chubasco detectado en el cerro Los Leones por el primer telescopio instalado.

Auger planea construir dos observatorios debido a que una posible anisotropía de fuentes es mucho mejor estudiada colectando datos en ambos hemisferios. Debido a que no fue posible iniciar ambos observatorios simultáneamente, se decidió comenzar con la componente austral pues los cielos del sur no han sido explorados a estas energías mientras que hay algunos datos del hemisferio norte (Volcano Ranch, Yakutsk, Haverah Park, AGASA y Fly’s Eye/Hi-Res). Sabemos que existen rayos cósmicos con energías superiores a 1020 eV pues hay una veintena de ellos que han sido detectados por diferentes Observatorios en el mundo. Conociendo su existencia, queda por confirmar la existencia o ausencia de fuentes. Si las fuentes son identificadas en sur, entonces la componente norte será fundamental para cubrir totalmente los cielos (Fig. 4). Si las fuentes no existiesen, habría un fuerte indicio de nueva física (implicaría la existencia de partículas exóticas súper masivas en el universo, debido a la relación entre masa y energía)  que impulsaría la construcción de un observatorio norte por parte de la colaboración Auger y otras.


 

Fig.4 Vista del cielo por los Observatorios Auger en coordenadas galácticas, simulaciones de lluvias con ángulos cenitales menores que 600, con distribución uniforme de fuentes (norte à rojo, sur à verde).

El director general del Proyecto Pierre Auger es el Premio Nobel de Física  James W. Cronin. En la Argentina participan científicos y técnicos de la CNEA (Centro Atómico Constituyentes y Complejos Fabriles Malargüe y San Rafael), Instituto Balseiro (CNEA y Universidad Nacional de Cuyo), de las Universidades Nacionales de La Plata y Buenos Aires, del CONICET y de la Universidad Tecnológica Nacional (Regionales Mendoza y San Rafael). Alberto Etchegoyen del Laboratorio Tandar, CNEA es el director del referido Observatorio y jefe de la colaboración argentina. María Teresa Dova es la secretaria ejecutiva de la colaboración internacional y coordinadora de los grupos de La Plata. Ingomar Allekotte y Beatriz García coordinan los grupos de Bariloche y de Mendoza, respectivamente. En CNEA el proyecto depende del Programa de Proyectos de Investigación y Desarrollo de las Ciencias Básicas y de la Ingeniería a cargo de la Dra. Ma. Cristina Cambiaggio. CNEA es representada frente al Consejo Internacional de Finanzas del Proyecto Auger (que nuclea a las agencias que financian al proyecto) por el Dr. Ernesto Maqueda.

Institucionalmente el Proyecto en Argentina es financiado por dineros federales a través de la CNEA y por el Gobierno de Mendoza. Se firmaron distintos compromisos a tal efecto: en 1966 por el Presidente del Directorio de CNEA, en 1997 por el Secretario de Ciencia y Técnica de la Nación, en 1998 por el Poder Ejecutivo Nacional - Decreto No 1199 - y en 1999 el Gobierno de Mendoza y Presidente del Directorio de CNEA firmaron el Acuerdo Internacional del Consejo Internacional de Finanzas. Los dos documentos centrales son los Memorandos de Entendimiento con la Colaboración Internacional por parte del Gobierno de Mendoza (19/julio/1999) y la CNEA (10/abril/2000), en los cuales se detalla las responsabilidades y su financiación. El costo del Observatorio será de 50 millones de dólares de los cuales el gobierno nacional Argentino aporta 10 millones a través de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y el gobierno de Mendoza, 5 millones, prorrateados a lo largo de 5 años. El dinero nacional se destina a la construcción de prototipos, detectores y equipamiento bajo la dirección de la Colaboración Argentina (privilegiando contratos con empresas del país) y asimismo para el adiestramiento de jóvenes científicos y técnicos.  Los fondos de la Provincia de Mendoza son utilizados para la construcción de caminos, redes eléctricas e infraestructura incluyendo los edificios que albergan a los telescopios de fluorescencia.

Trabajos a Cargo de la Colaboración Argentina

En esta sección detallaremos las obras que se realizan bajo la dirección de la Colaboración Argentina y con fondos nacionales o de la Provincia de Mendoza (a menos que se indique lo contrario). Todos los trabajos realizados en el Observatorio son y deben ser aprobados (y tal vez modificados) por la Colaboración Internacional.

Hay ciertas funciones que están dentro de nuestras responsabilidades de acuerdo a los Memorandos de Entendimiento que CNEA y el Gobierno de Mendoza firmaran con la Colaboración Internacional, por ejemplo el ensamblado de los detectores de superficie. Pero a medida que transcurre el tiempo vamos tomando un rol más importante en otros ámbitos, por ejemplo en el ensamblado de los telescopios debido que al pasar de la etapa de prototipos a la de producción en escala industrial, el trabajo de montaje y puesta en funcionamiento en el emplazamiento se incrementa muy abruptamente. Se requiere entonces una presencia permanente en el Observatorio y al ser Argentina el país sede, se está en mejores condiciones de realizar estos trabajos.

Igualmente, la operación y mantenimiento a lo largo de los veinte años en los cuales se estima la vida útil del Observatorio,  tendrán una fuerte componente argentina. Si bien éstas serán  sufragadas por toda la colaboración internacional (de la cual forma parte Argentina), la colaboración nacional tendrá una enorme responsabilidad en realizarlas.

a) Infraestructura

Las obras de infraestructura son prioritariamente responsabilidad del Gobierno de Mendoza y se canalizan a través de la colaboración argentina, y  empresas contratadas. La Provincia de Mendoza ha cumplido con sus obligaciones para con el Proyecto.

Hay dos edificios fundamentales en la Estación Central: el Taller de Ensamblado y las Oficinas-Salas de Control (Fig.5). Asimismo se ha instalado una torre de telecomunicaciones, que recibirá las señales de todo el Observatorio. Las telecomunicaciones también permiten variar desde la Estación Central parámetros de los detectores, por ejemplo, el voltaje de los fototubos.

El Taller ya se encuentra en operaciones y como faceta distintiva alberga una planta de agua hiperpura (resistividad mayor que 15 MW-cm) y un tanque de almacenamiento de 50.000 litros. También hemos diseñado y procurado el sistema de transporte de agua desde la Estación Central a los detectores instalados en el campo, estando bajo nuestra responsabilidad el llenado con agua de los detectores de superficie. Hemos instalado la bajada satelital de lINTERNET (a través de un contrato con Retina) y su red local en el Taller.

El Edificio de Oficinas/Salas de Control ha sido construido con un subsidio de la Universidad de Chicago.

Fig. 5 A la izquierda se muestra el Taller de Ensamblado , con la antena del enlace a INTERNET, el tanque de almacenamiento de agua y la torre de telecomunicaciones. A la derecha se observa el Edificio de Oficinas.

El Observatorio tendrá cuatro emplazamientos de telescopios de fluorescencia, hemos ya construído el primero (Fig. 6)  en el cerro Los Leones, a 15 km de Malargüe. Este edificio albergará seis telescopios, cada uno de ellos cubriendo 30º en azimut y en elevación. Se ha montado ya el primero (que ha detectado los primeros rayos cósmicos como se mencionara en la introducción) y se está terminando de montar el segundo. Estos telescopios están a cargo de las colaboraciones alemanas e italianas, estando la colaboración argentina trabajando en el sistema electrónico de control y al igual que en la Estación Central, construyó por contrato la torre de telecomunicaciones.

Fig. 6 Edificio en el cerro Los Leones para telescopios de fluorescencia y torre de telecomunicaciones.

b)     Detectores de Superficie

Los detectores de superficie consisten en tanques de polietileno rotomoldeado con agua ultra pura, para medir la luz Cherenkov que producen al atravesarlo las partículas de la lluvia. Interiormente tienen una bolsa de Tyvek laminada con plástico negro: el Tyvek refleja 90% de la luz Cherenkov mientras que el plástico negro previene el paso de luz externa. Habrá 1.600 de ellos, regularmente emplazados a 1.500 m de distancia entre sí y a lo largo de 3.000 km2.  Argentina tiene su mayor responsabilidad en los detectores de superficie. Debemos construir y procurar 500 tanques, todas las bolsas laminadas de Tyvek, el front-end electrónico, las antenas de cada tanque, las torres de telecomunicaciones, los soportes de los paneles solares, las cajas de baterías y las baterías, los sensores y la provisión de agua. Estamos encargados de muchos de los trabajos de instalación en el campo y colaboramos con los otros. En la Fig. 7 se observa el transporte de agua a un tanque en una zona particularmente difícil y un detalle de los paneles solares, caja de electrónica y telecomunicaciones de  un tanque.

Fig. 7 A la derecha, transporte de agua en zonas anegadizas. El tanque de transporte está instalado en un trailer y es empujado por dos palas mecánicas. A la izquierda, detalle de instrumental sobre un tanque.

c) Telescopios de Fluorescencia

Tenemos científicos y técnicos trabajando en la medición de diafanidad atmosférica y hemos realizado trabajos con telescopios y cámaras CCD durante varios meses.  Nuestro plan de trabajo de monitoreo atmosférico actual incluye i) estudio de estrellas con telescopios y cámaras CCD, ii) estudio de contenidos de aerosoles con equipos LIDAR

Hemos instalado y monitoreado una estación meteorológica. También colaboramos en la electrónica de fluorescencia. Como ya ha sido mencionado tuvimos la responsabilidad de construir el edificio en el cerro Los Leones y ahora hemos llamado a licitación para el segundo albergue de telescopios, en el cerro Coihueco.

d) Ensamblado de los Detectores

Para poder completar el observatorio en el tiempo  previsto (año 2005), es necesario cumplir con el cronograma de instalación de detectores de superficie,  que prevé la compra de 900  y la instalación de 350 en 2002. Dado que algunos campos son solamente accesibles para el emplazamiento en época estival, es necesario intensificar los trabajos en los meses de verano.

Muchos componentes son provistos por instituciones de otros países y serán despachados a Malargüe para su instalación según el cronograma propuesto. El comisionamiento de un detector de superficie implica un trabajo muy arduo y complicado: se coloca en su interior la bolsa de Tyvek laminado, luego los fototubos, los paneles solares, las cajas de baterías y las baterías, la electrónica, las antenas de comunicaciones y los transmisores-receptores, los sensores, la producción y llenado con agua hiperpura. Finalmente debe ser puesto en funcionamiento según especificaciones.

e) Logística y Administración

La logística y administración de un proyecto de esta magnitud, con 19 países, 50 instituciones y 250 científicos/técnicos requieren de un esfuerzo sostenido. Uno de los logros fundamentales fue contar con un instrumento ágil para el ingreso de equipamiento proveniente del exterior.  Se gestionó a través de CNEA en el Ministerio de Relaciones Exteriores la autorización para usar franquicias diplomáticas, lo cual fue otorgado.

CNEA ha provisto el Gerente del Observatorio y ha colaborado a través de su personal de los Complejos Fabriles San Rafael y Malargüe.

Otra faceta importante es la firma de contratos con los dueños de la tierra que permita a la Colaboración Internacional instalar en dichas propiedades los detectores. A través del Gobierno de Mendoza se han firmado los contratos con todos los dueños del Departamento de Malargüe y estamos avanzando con aquellos del Departamento de San Rafael.

Hemos y estamos empleando un tiempo sustancial en el desarrollo de proveedores locales para la construcción del equipamiento del observatorio según las normas requeridas.


f) Centro de Almacenamiento de Datos y Análisis de Datos

Es claramente fundamental para cualquier proyecto de ciencia y técnica el almacenamiento de los datos. Varios países de la colaboración internacional tienen experiencia y centros de cómputos para tal fin. Las colaboraciones argentinas y brasileras decidieron tener un centro en Argentina, en el Centro Atómico Constituyentes/CNEA, lo cual fue aprobado por la Colaboración Internacional: los datos serán almacenados simultáneamente en el Fermi National Accelerator Laboratory/ EE.UU y en CNEA. Hay mucha experiencia en CNEA en el manejo de la base de datos ORACLE, la elegida por la Colaboración Internacional. Ya hemos conseguido instalar dicho motor de base de datos bajo Linux, e importar / exportar base de datos. Estamos ahora en el proceso de comprar el equipamiento necesario.

Argentina y Brasil están a cargo de los programas de Procesamiento y Análisis de Datos del proyecto. El programa de simulaciones numéricas de los chubascos cósmicos ha sido desarrollado por la colaboración argentina.

Difusión y Educación

El Edificio de Oficinas incluye un Centro de Visitantes. Dicho centro aumentará nuestro programa de difusión con los pobladores de la región. En cada ocasión de los Congresos de la Colaboración Internacional (que se realizan actualmente dos veces por año en Malargüe), se han organizado reuniones y charlas con la comunidad y escuelas. Durante el encuentro del 12-17 de Noviembre de 2000, se invitó a la comunidad de Malargüe a la casa abierta con motivo de la inauguración del Taller de Ensamblado. Todos estos eventos fueron recibidos con entusiasmo y con mucha concurrencia de la comunidad. Asimismo, el Intendente de Malargüe invitó a la Colaboración Internacional a participar de las celebraciones del 50 aniversario de la ciudad, que incluyó un grupo Auger participando en el desfile por la calle principal de la ciudad. Fuimos calurosamente recibidos.

Como parte de nuestra actividad de extensión, pensamos en i) información gráfica, ii) maqueta del Observatorio, iii) mantenimiento de una página web de la Colaboración Argentina, iv) capacitación de guías de turismo en el proyecto en conjunción con la Subsecretaría de Turismo de Malargüe,  v) conferencias, charlas y presentaciones en escuelas, y vi) diversas instalaciones en la Estación Central del Proyecto (un detector de superficie funcionando, videos y audiovisuales, un telescopio para visitas nocturnas). Deseamos montar un stand en el Parque de la Ciencia-Eureka, ciudad de Mendoza.

Parte muy  fundamental de la participación argentina en el proyecto, es la formación de científicos jóvenes. Hemos elaborado un Programa de Capacitación.

Estamos también procurando el adiestramiento del personal técnico para participar en la construcción del observatorio y en su posterior operación y mantenimiento. Este programa está siendo desarrollado por el Departamento de Ingeniería/UNLP y la UTN-Regional Mendoza.

Resumen Final

Es de responsabilidad argentina:  compra de tanques rotomoldeados, recepción e inspección de tanques, bolsas laminadas de Tyvek, cajas de baterías y baterías, electrónica front-end, telecomunicaciones, trabajos para instalación de tanques en el campo, montaje, funcionamiento y mantenimiento del Observatorio y gastos de la colaboración argentina (que incluyen el Programa de Capacitación). La construcción y montaje de un Observatorio de esta magnitud implica un trabajo de rompecabezas en el cual, la omisión de una pieza ocasiona el retrazo y la futilidad de otros emprendimientos realizados por la Colaboración Internacional.

Argentina tiene la enorme responsabilidad de ser sede del Observatorio Austral y estamos realizando un trabajo agotador y continuado. Es un país que tiene la suficiente infraestructura y recursos humanos para hacerlo, como lo hemos demostrado hasta el momento.

El Proyecto Auger es una realidad, mucho se ha construído, ya hemos hecho las primeras detecciones de rayos cósmicos ultra energéticos de acuerdo a nuestros parámetros de diseño. 

Trabajos de la Colaboración en Mendoza

La Provincia de Mendoza decidió realizar obras de infraestructura primarias (caminos, redes eléctricas y edificios)

Las obras son realizadas con trabajadores y arquitectos locales, bajo la supervisión de la Colaboración Argentina.

Obras y tareas realizadas:
  • Construcción de las torres de telecomunicaciones: 40 m en Los Leones y 50 m en la Estación Central.
  • Instalación y puesta en funcionamiento de las telecomunicaciones en cada tanque.
  • INTERNET y red local. Operación.