O IGFAE participa na elaboración do catálogo interactivo con 100 dos raios cósmicos máis enerxéticos

O Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IFGAE) é unha das entidades participantes dun proxecto internacional para a elaboración dun catálogo interactivo dos raios cósmicos. O labor dos investigadores galegos consistiu en recompilar, reconstruír e analizar estes eventos a través dos datos xerados polo Observatorio Pierre Auger (Arxentina), o maior detector destes fenómenos dos que están operativos no mundo. O catálogo interactivo, dispoñible en opendata.auger.org achéganos neste intre aos 100 raios cósmicos máis enerxéticos xamais destacados.
Misterio por resolver
Segundo informan dende o IFGAE, un dos grandes misterios en astropartículas é saber como unha partícula, na súa viaxe polo cosmos de centos de millóns de anos luz cara á Terra, pode ser acelerada cunha enerxía ata dez millóns de veces superior á que alcanzan os protóns no acelerador de partículas máis potente do mundo, o Gran Colisionador de Hadróns (LHC) do CERN. Para estudar estes raios cósmicos e esclarecer os mecanismos de aceleración, propiedades e a fonte que os orixina, existen observatorios como Pierre Auger, en Arxentina, cuxa colaboración internacional publicou recentemente un traballo en The Astrophysical Journal Supplement Series cos 100 raios cósmicos máis enerxéticos xamais detectados neste detector entre 2004 e 2020. O artigo compleméntase cun catálogo en liña que permite explorar de forma sinxela e interactiva as súas características, direccións de chegada á Terra ou os detectores que os observaron.
Un raio cósmico
Os investigadores do IFGAE explican que un raio cósmico é “unha partícula, a maioría protóns ou núcleos máis pesados, que cando chega á atmosfera e interacciona con ela produce unha chuvia de partículas secundaria, a modo de fervenza, que abarca unha extensión xigantesca”. Os raios cósmicos máis enerxéticos, con enerxías por encima e ao redor de 1 exaelectronvoltio (1 EeV = 1018 eV), viaxan a unha velocidade próxima á da luz e os de enerxías máis elevadas son tan escasos que apenas chegan á Terra tres ou catro por quilómetro cadrado cada século. Por iso se necesitan detectores que cubran áreas enormes como o Observatorio Pierre Auger en Mendoza (Arxentina), o máis preciso e grande do mundo, abarcando unha superficie de 3.000 km2, comparable á extensión de Mallorca.
O Auger conta cun sistema híbrido de detectores. Por unha banda, 1.600 tanques (puntos grises da imaxe 2) de auga altamente purificada observan unha luz azulada, denominada luz Cherenkov, que se produce cando as partículas atravesan a auga a velocidades superiores á da luz neste medio. Doutra banda, 24 telescopios de fluorescencia (cadrados grises da imaxe 2) recollen a luz emitida polas moléculas de nitróxeno da atmosfera ao ser excitadas cando os raios cósmicos a atravesan. Con este sistema híbrido pódese determinar a enerxía e dirección de chegada de cada raio cósmico primario e calcular as súas masas.
Reconstrución de chuvias de partículas inclinadas
O equipo do IGFAE que participou neste traballo é experto na reconstrución de chuvias de partículas moi inclinadas e desempeñou un papel crucial na recompilación, reconstrución e análise dos eventos incluídos no catálogo. As chuvias inclinadas, compostas principalmente por muóns ao nivel do chan e diferentes de analizar, son importantes para identificar os neutrinos extremadamente enerxéticos de entre todas as partículas cósmicas que bombardean a Terra e achegan información para saber que obxectos cósmicos orixinan os raios cósmicos primarios. O evento inclinado máis enerxético do catálogo corresponde ao número 17, cun ángulo cenital de 77,2 graos e 117 EeV, producindo sinal en 75 detectores de auga-Cherenkov ao longo de 35 km. O evento máis enerxético xamais detectado en Auger, o número 1, rexistrouse o 10 de novembro de 2019 cunha enerxía de 166 EeV e un ángulo de 58,6 en 34 detectores. O catálogo tamén inclúe nove eventos moi enerxéticos que se utilizaron para calibrar e determinar a enerxía dos raios primarios.
“O estudo desta radiación extremadamente enerxética”, apunta Jaime Álvarez Muñiz, un dos autores do IGFAE asinante do traballo, “é moi relevante para identificar as fontes de raios cósmicos máis extremas e violentas do universo, que é posible que acaden súa enerxía alimentándose de obxectos como buracos negros supermasivos. Na actualidade, o Observatorio atópase nunha fase de actualización denominada AugerPrime na que se están instalando detectores de escintilación na parte superior dos detectores de superficie para mellorar os estudos sobre a composición de masa dos raios cósmicos de ultra alta enerxía”.
O Observatorio é operado pola Colaboración Pierre Auger, na que traballan máis de 400 científicos, enxeñeiros e técnicos de máis de 90 institucións en 18 países. O IGFAE da Universidade de Santiago de Compostela e a Universidade de Granada, que tamén participou na análise destes eventos, son as únicas institucións españolas. Os investigadores do IGFAE que contribuíron na elaboración do catálogo son Jaime Álvarez Muñiz, Juan Ammerman Yebra, Lorenzo Cazón Boado, Marvin Gottowik, Miguel Alexandre Martins, Gonzalo Parente Bermúdez e Enrique Zas Arregui.