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A través de HAWC, Hermes León detecta partículas propagadas horizontalmente

Luciana de la Fuente
29/jul/2019

Hermes León Vargas, investigador del IF y colaborador del experimento HAWC, busca ampliar las posibilidades del mismo al usar el observatorio para detectar un tipo de partícula muy difícil de medir: los neutrinos.

“Es un uso para el cual no se había planeado el observatorio, entonces ha sido un proceso muy largo, porque fue empezar un proyecto desde cero”, comenta el investigador.

HAWC es actualmente el mejor detector de rayos gamma de muy alta energía en el mundo. Éstos se perciben a partir de señales de luz que se producen en los tanques de agua de HAWC por partículas que se propagan de arriba hacia abajo; el reto de la investigación de León Vargas es encontrar señales que viajen en horizontal.

Los neutrinos necesitan pasar por un proceso físico llamado interacción débil para volverse tangibles. En este proceso, deben atravesar grandes cantidades de materia para convertirse en un leptón cargado y poder así, ser percibidos por los detectores. De no interaccionar con materia a su paso, un neutrino podría atravesar desapercibido no sólo la Tierra, sino el Universo entero.

Para el fortunio del investigador, HAWC se encuentra a un costado del Pico de Orizaba, por lo que la masa de la montaña brinda al menos siete ventajosos kilómetros de materia para aumentar la probabilidad de que ocurra dicha interacción débil y un neutrino pueda, quizás, ser percibido por los detectores del observatorio.

“Parece que tengo mucha suerte porque justo las dimensiones del Pico de Orizaba hace que sea razonable el poder esperar medir algo y puede que me tome mucho tiempo, pero a fin de cuentas, así es la ciencia, es intentar”, agrega León Vargas.

Debido a que HAWC no está diseñado para distinguir señales que vengan del horizonte, Hermes creó un algoritmo especial para que éstas pudieran ser identificadas. Tras alrededor de 20 intentos de algoritmo, obtuvo la última versión, con la que finalmente fue posible distinguir señales distintas a las verticales, es decir, provenientes del horizonte.

Lo que Hermes hace con el algoritmo es buscar, sistemáticamente, entre el mar de señales que recibe HAWC, esas pocas y extrañas señales que viajan en horizontal, para después reconstruir una imagen a partir de los datos recaudados por el observatorio.

Las señales de los sensores de luz son analógicas, sin embargo pasan por un proceso de electrónica para volverse digitales. Cada señal que produce un destello de luz guarda en qué tiempo, cuánta luz y de qué región del Universo fue lo que se vio en la millonésima de segundo que duró. Por último, los datos son graficados.

En general, así funciona HAWC normalmente, la diferencia es que Hermes usa únicamente los datos obtenidos de los pulsos de luz que se propaguen a la velocidad de la luz de manera horizontal.

¿Qué son esas señales?

HAWC utiliza fotomultiplicadores para medir estos pulsos de luz. El funcionamiento de sus detectores se basa en el efecto fotoeléctrico, la razón por la que le dieron el Nobel a Einstein en 1921. Este efecto ocurre cuando la luz “pega” en un material y libera un electrón, a eso se le llama fotoelectrón. Al ver cuántos electrones se liberan cuando “choca” la luz en los sensores se puede saber cuánta energía tenía la partícula que pasó por ahí y emitió luz.

HAWC utiliza fotomultiplicadores para medir estos pulsos de luz. Crédito: HAWC.

Esa luz es la llamada radiación de Cherenkov, llamada así en honor al físico ruso cuyo trabajo también le valió el Nobel en 1958. Lo que Hermes busca es la radiación de Cherenkov que produce la partícula que viaja de manera horizontal.

En las simulaciones que realizó, León Vargas esperaba encontrar mediciones de hasta alrededor 1000 fotoelectrones por señal. Sorprendentemente, llegó a encontrar señales que dejaban hasta 1800 fotoelectrones, provenientes de la parte más gruesa del Pico de Orizaba. Esto no indica que sean neutrinos de ultra alta energía, pues un neutrino de ese tipo dejaría alrededor de 5 mil fotoelectrones a su paso, pero entonces, si no son neutrinos ¿qué son?

Según las especulaciones de Hermes, los destellos podrían ser muones, unas partículas inestables parecidas al electrón, o tal vez, grupos de varias partículas que viajan con trayectorias muy cercanas. En caso de ser lo segundo, significaría que éstas serían producidas por un neutrino. Ahora el investigador deberá analizar cuidadosamente los datos para comprobar qué es lo que ve y que deja un patrón diferente en las gráficas al que dejan las señales verticales.

A pesar de que aún no es posible afirmar que estos destellos sean neutrinos o muones, con esta investigación Hermes logró un primer reto experimental para confirmar que es posible detectar destellos horizontales a través de HAWC. En seis meses ha medido alrededor de un millar de señales, acumulando así 250 terabytes de datos analizados hasta el momento.

Incluso, sus resultados han sido expuestos en una conferencia en Moscú y otra en EEUU, ya que cuenta con la aprobación de HAWC para mostrarlos públicamente. “La aprobación significa que cuento con el respaldo de la colaboración HAWC, que los expertos mundiales con los que trabajo confían en mis resultados”, afirma León Vargas.

Pero el trabajo sigue. El observatorio recibe 25 mil señales por segundo las 24 horas del día, lo que se traduce en un petabyte de datos al año; en contraste, las señales que busca el investigador se ven aproximadamente una cada hora, es por eso que toma tanto tiempo el obtener resultados. Hermes León planea observar al menos cinco años más la montaña para continuar y complementar su investigación.

Nueva línea de investigación en HAWC

El poder medir partículas horizontalmente significaría una línea totalmente nueva para HAWC, además, se inclinaría más a la física de partículas, una línea de investigación más cercana a lo que se hace en el IF.

Por otro lado, si se llegara a comprobar que también es posible medir neutrinos, HAWC elevaría su potencial considerablemente, pues en el mundo existen hasta ahora sólo dos detectores ultraenergéticos de neutrinos: Ice Cube, ubicado en el Polo Sur y el KM3NET (Cubic Kilometre Neutrino Telescope), ubicado en el fondo del mar mediterráneo. Éste último se encuentra en desarrollo todavía y funciona parcialmente.

“Para la radiación más energética, la única manera de saber su origen, es con neutrinos. Todas las demás partículas no pueden dar esa información. En México no obtendríamos financiamiento para un detector de neutrinos ultra energéticos, lo interesante sería usar un instrumento que fue hecho para otra cosa y que ya está operando para que además pudiera servir para eso”, menciona Hermes León.

Uno de los misterios del Universo es no saber cuál es la fuente de esa radiación de tan alta energía que llega a la Tierra. Al poder medir neutrinos se sabría exactamente de qué región del Universo provienen y se obtendría más información sobre ello. Se dice que una posible fuente sea la colisión de estrellas de neutrones, sin embargo, hay poca información al respecto.

Eso es, precisamente, la idea de lo que Hermes quiere hacer: “sólo existen dos detectores de neutrinos de alta energía en el mundo y ojalá algún día podamos decir que HAWC también”, agrega, motivado, Hermes León Vargas.

Representación de HAWC, visto desde arriba de HAWC. El código de color indica el tiempo de las señales y el tamaño de los círculos con color es proporcional a la cantidad de luz que cada fotomultiplicador ve. Las señales que se muestran en la gráfica indican que provienen desde la montaña del Pico de Orizaba y al pasar por HAWC producen muchísima luz mientras se propagan de derecha a izquierda y a la velocidad de la luz.