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Es posible que una de las mejores alianzas entre la naturaleza y la ciencia esté ocurriendo en estos momentos en la frontera entre Veracruz y Puebla.

“Utilizamos el volcán Pico de Orizaba para buscar los neutrinos que vienen del espacio extra-galáctico”, dice Luis Joel Hernández Martínez, estudiante de la licenciatura en Física de la Facultad de Ciencias de la UNAM, para mostrar cómo un volcán con la tecnología adecuada puede ser un terreno fértil para la ciencia.

El estudiante forma parte del equipo internacional que lleva a cabo el experimento HAWC (por sus siglas en inglés High-Altitude Water Cherenkov Observatory) un gran observatorio de rayos gamma ubicado a 4,100 metros de altura, en la base del volcán Sierra Negra, ubicado en Puebla a 6km del Pico de Orizaba, en Veracruz.

HAWC fue diseñado para detectar fuentes de rayos gamma y es utilizado por investigadores del IFUNAM, del Instituto de Astronomía, de Ciencias Nucleares, Geofísica, y otras instituciones, para realizar la detección de neutrinos que tengan la energía suficiente para entrar en los enormes tanques de agua que lo componen y, con ellos, observar el Universo de altas energías.

Luis Joel Hernández se presentó el 17 de abril en el Seminario de Estudiantes del Instituto de Física de la UNAM para hablar de cómo se pueden medir los flujos de energía (generalmente radiación gamma) que emiten fuentes cósmicas de altas energías como estrellas de neutrones, agujeros negros o supernovas, que no es tarea sencilla pues en el extenso recorrido la radiación disminuye rápidamente y solamente una mínima parte de esa energía llega a la atmósfera terrestre.

Por otro lado, los rayos gamma se transforman en partículas por la inevitable interacción que tienen con las moléculas que se encuentran dentro la atmósfera y después generan más partículas y radiación.

De esta interacción resulta una “cascada” de radiación y partículas, que van creando más y más partículas y radiación hasta que la energía disminuye significativamente.

Dependiendo de la energía con la que la radiación gamma llegue a la atmósfera, será la energía que contengan las partículas generadas por su interacción con la atmósfera. Estas partículas las detecta HAWC como señales, y las hay de diversas energías.

Un increíble filtro terrestre para observar el Universo

Gracias a una técnica llamada Earth-skimming (en español: rozamiento de tierra), el conjunto del Pico de Orizaba y HAWC resulta ser excelente una herramienta para la detección de neutrinos de ultra-alta energía.

Al medir las señales de estas partículas es posible “conocer lo que ocurre mucho más allá de nuestra galaxia”, dice Hernández.

“La técnica consiste en utilizar cuerpos masivos, como la corteza terrestre o las montañas, para filtrar el ruido que genera la multitud de partículas que llegan a HAWC y dificultan la detección indirecta de neutrinos ultra-energéticos”, explica Hernández.

Esa multitud de leptones (que van desde muones y piones hasta electrones y neutrinos débiles) que llegan en las cascadas atmosféricas son la principal fuente de ruido para detectar neutrinos altamente energéticos.

Pero de todas esas partículas elementales, solo las señales originadas por neutrinos ultra energéticos (los muones y los tauones) pueden atravesar el volcán y los tanques de HAWC. Los científicos pueden estar seguros de que esas señales provenientes del volcán son las que traen información del exterior. Si lograron atravesarlo es porque contaban con una gran energía, suficiente para interaccionar con la Tierra, y además seguir su camino, atravesar el volcán y luego llegar a HAWC, donde son finalmente detectadas.

Por eso, la técnica es bastante confiable pues garantiza que esas señales registradas en HAWC provienen de fuentes de neutrinos que se encuentren a más de 10 mega pc (pársec o ‘pc’ es una unidad de medida de distancia entre objetos galácticos: 1pc= ~ 3.09 x 10¹⁶metros).

Muones, pistas hacia neutrinos ultra-energéticos

¿Cómo podrían ser rastreados los neturinos ultra-energéticos? Luis Joel Hernández utiliza la herramienta informática GEANT-4 para elaborar una simulación computacional en la que tomó en cuenta estas dimensiones de distancias (>10 Mpc) y energías entre 30 Giga electrón-Volt (GeV) y 10 Tera electrón-Volt (TeV).

GEANT-4 fue creada en colaboración internacional para simular cómo deberían ser los detectores, aceleradores y la interacción de partículas con materia, entre otras aplicaciones en el campo de la Física de Altas Energías. Su primera versión salió en 1998 y la más reciente en 2016.

El objetivo de Hernández fue estimar, con la simulación, la capacidad del Pico de Orizaba para absorber los muones creados en la atmósfera debido a las cascadas. Esto es porque en la técnica Earth-skimming, los muones y tauones son los que lograrían dejar una señal detectable y por eso son las que se buscan en la detección de neutrinos extra-galácticos.

Aunque en efecto los tauones y los muones dejarían esta señal, son los segundos la principal fuente de ruido debido a su larga vida media y, sobre todo a su abundancia, pues son las partículas que más se generan en las cascadas atmosféricas.

La solución para este problema del ruido generado por muones, es que un cuerpo masivo, como el Pico de Orizaba, absorba los muones creados en las cascadas atmosféricas.

Así, cuando un neutrino crea una partícula mu, tau o un electrón, estas tienen la misma dirección que el neutrino. Por eso, al detectar un muón se puede asociar su dirección con la del neutrino que lo creó, que vino de una región del cielo específica que, a su vez, se puede ligar con una fuente de neutrinos ultra-energéticos.

Después de los primeros resultados de esta simulación, el estudiante y su asesor, Hermes León, investigador del IFUNAM, observaron que “conforme aumenta la energía de los muones simulados, una cantidad mayor de ellos cruza el volcán pero el flujo detectable de muones que llega a HAWC también disminuye conforme aumenta la energía de éstos”, añade Joel Hernández.

El proyecto aún está en proceso y, de hecho, será el trabajo con el que Luis Joel Hernández obtendrá su título de licenciatura, sin embargo, estas primeras observaciones plantean en él varios retos: “después de observar estos resultados, tenemos interés en simular otras energías, entre cientos de GeV y decenas de TeV”.

Otro de los retos será ajustar la simulación para hacerla más apegada a la realidad, ya que para estas primeras observaciones simuló los tanques individuales que conforman a HAWC como una caja del mismo volumen de agua que la suma de la capacidad de todos los tanques y el Pico de Orizaba se simuló como un cono, factores que inducen errores en la simulación, pero que pueden corregirse para tener datos mucho más confiables.