• Investigadores del IGFAE desempeñan un papel crucial en la recopilación, reconstrucción y análisis de estos eventos registrados en el mayor detector de rayos cósmicos del mundo, el Observatorio Pierre Auger (Argentina).

• El catálogo, que se ha publicado en The Astrophysical Journal Supplement Series, se acompaña de un visualizador online que permite explorar de forma sencilla e interactiva sus propiedades

Uno de los grandes misterios en astropartículas es saber cómo una partícula, en su viaje por el cosmos de cientos de millones de años luz hacia la Tierra, puede ser acelerada con una energía hasta diez millones de veces superior a la que alcanzan los protones en el acelerador de partículas más potente del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Para estudiar estos rayos cósmicos y esclarecer los mecanismos de aceleración, propiedades y la fuente que los origina, existen observatorios como Pierre Auger, cuya colaboración internacional ha publicado recientemente un trabajo en The Astrophysical Journal Supplement Series con los 100 rayos cósmicos más energéticos jamás detectados en este detector entre 2004 y 2020. El artículo se complementa con un catálogo online que permite explorar de forma sencilla e interactiva sus características, direcciones de llegada a la Tierra o los detectores que los observaron: https://opendata.auger.org/catalog/

Un rayo cósmico es una partícula, la mayoría protones u núcleos más pesados, que cuando llega a la atmósfera e interacciona con ella produce una lluvia de partículas secundaria, a modo de cascada, que abarca una extensión gigantesca. Los rayos cósmicos más energéticos, con energías por encima y alrededor de 1 exaelectronvoltio (1 EeV = 10 ¹⁸ eV), viajan a una velocidad cercana a la de la luz y los de energías más elevadas son tan escasos que apenas llegan a la Tierra tres o cuatro por kilómetro cuadrado cada siglo. Por eso se necesitan detectores que cubran áreas enormes como el Observatorio Pierre Auger en Mendoza (Argentina), el más preciso y grande del mundo, abarcando una superficie de 3.000 km², comparable a la extensión de Mallorca.

Auger cuenta con un sistema híbrido de detectores. Por un lado, 1.600 tanques (puntos grises de la imagen 2) de agua altamente purificada observan una luz azulada, denominada luz Cherenkov, que se produce cuando las partículas atraviesan el agua a velocidades superiores a la de la luz en este medio. Por otro lado, 24 telescopios de fluorescencia (cuadrados grises de la imagen 2) recogen la luz emitida por las moléculas de nitrógeno de la atmósfera al ser excitadas cuando los rayos cósmicos la atraviesan. Con este sistema híbrido se puede determinar la energía y dirección de llegada de cada rayo cósmico primario y calcular sus masas.

Reconstrucción de lluvias de partículas inclinadas

El equipo del IGFAE que ha participado en este trabajo es experto en la reconstrucción de lluvias de partículas muy inclinadas y ha desempeñado un papel crucial en la recopilación, reconstrucción y análisis de los eventos incluidos en el catálogo. Las lluvias inclinadas, compuestas principalmente por muones a ras de suelo y diferentes de analizar, son importantes para identificar los neutrinos extremadamente energéticos de entre todas las partículas cósmicas que bombardean la Tierra y aportan información para saber qué objetos cósmicos originan los rayos cósmicos primarios. El evento inclinado más energético del catálogo corresponde al número 17, con un ángulo cenital de 77,2 grados y 117 EeV, produciendo señal en 75 detectores de agua-Cherenkov a lo largo de 35 km. El evento más energético jamás detectado en Auger, el número 1, se registró el 10 de noviembre de 2019 con una energía de 166 EeV y un ángulo de 58,6 en 34 detetores. El catálogo también incluye nueve eventos muy energéticos que se han utilizado para calibrar y determinar la energía de los rayos primarios.

“El estudio de esta radiación extremadamente energética ‒apunta Jaime Álvarez Muñiz, uno de los autores del IGFAE firmante del trabajo‒ es muy relevante para identificar las fuentes de rayos cósmicos más extremas y violentas del universo, que posiblemente consiguen su energía alimentándose de objetos como agujeros negros supermasivos. En la actualidad, el Observatorio se encuentra en una fase de actualización denominada AugerPrime en la que se están instalando detectores de centelleo en la parte superior de los detectores de superficie para mejorar los estudios sobre la composición de masa de los rayos cósmicos de ultra alta energía”.

Imagen 2. Ilustración de los detectores del Observatorio Pierre Auger y rastro de la lluvia inclinada más energética, la número 17 del catálogo, vista desde arriba. Entre los círculos rojizos se observa un área vacía en la que no hay detectores por las dificultades para obtener el permiso del propietario local para instalarlos. Los detectores que no recogieron señal se representan como pequeños puntos grises, los 4 cuadrados grises en los bordes de la matriz (LL, LM, CO y LA) indican los telescopios de fluorescencia y los 6 puntos negros son las estaciones que no funcionaba durante la observación del evento. Las líneas marrones indican carreteras. Crédito: IGFAE

Sobre el Observatorio Pierre Auger

El Observatorio es operado por la Colaboración Pierre Auger, en la que trabajan más de 400 científicos, ingenieros y técnicos de más de 90 instituciones en 18 países. El IGFAE de la Universidad de Santiago de Compostela y la Universidad de Granada, que también ha participado en el análisis de estos eventos, son las únicas instituciones españolas. Los investigadores del IGFAE que han contribuido en la elaboración del catálogo son Jaime Álvarez Muñiz, Juan Ammerman Yebra, Lorenzo Cazón Boado, Marvin Gottowik, Miguel Alexandre Martins, Gonzalo Parente Bermúdez y Enrique Zas Arregui.

Información adicional:

Abdul Halim et al2023 ApJS 264 50
DOI: 10.3847/1538-4365/aca537

Imagen destacada. Ilustración tridimensional de los detectores del Observatorio Pierre Auger y rastro de la lluvia inclinada más energética, la número 17 del catálogo, inducida por una partícula de rayos cósmicos con una energía estimada de 117 EeV, que llega con un ángulo cenital de 77.2 grados, y produce señal en 75 estaciones de agua-Cherenkov a lo largo de 35 km. Los detectores están coloreados según el tiempo de llegada de las partículas, desde el más temprano (amarillo) hasta el último (rojo), y con su tamaño proporcional a la señal recogida. En el margen derecho se muestra información más detalla del evento, como la cantidad de señal recibida el 26 de septiembre de 2015 en cada detector y tiempo de llegada. Crédito: Colaboración Observatorio Pierre Auger.