PROYECTO ALPACA

 

Acerca del nuevo proyecto de rayos cosmicos en las cercanias del monte Chacaltaya

 

The new cosmic rays project in the vicinity of mount Chacaltaya

 

 

H. M. Rivera Bretel, P. Miranda Loza, M. Raljevic, M. A. Subieta Vásquez, & R. Ticona
Instituto de Investigaciones Físicas, Carrera de Física. Universidad Mayor de San Andres
c. 27 Cota-Cota, Campus Universitario, Casilla de Correos 8635 La Paz - Bolivia

 

 

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Resumen

El Instituto de Investigaciones Físicas^a (IIF) de la Universidad Mayor de San Andres y el Instituto para la Investigacion de Rayos Cósmicos de Japón (ICRR, por sus siglas en inglés¹³) de la Universidad de Tokio, encabezan una inicia- tiva para construir un observatorio en Bolivia, en las cercanías del monte Chacaltaya. El observatorio planeado no es uno convencional, pues detectaría rayos cosmicos provenientes del espacio exterior en lugar de luz visible. Los objetivos principales de este proyecto serían la astronomía gamma y el estudio de posibles cumulos de materia oscura⁰ en nuestra galaxia. Los beneficios para nuestro país serían importantes, particularmente en los ambitos de la ciencia, la tecnología y la educacion.

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Abstract

The Physics Research Institute (IIF) of the University Mayor de San Andres and the In-stitute for the Investigation of Cosmic Rays (ICRR), of the University of Tokyo, Japan are heading an initiative to build an observatory in the vicinity of Mount Chacaltaya, Bolivia. The planned observatory is no ordinary facility as it will detect cosmic rays from outerspace instead of visible light. The main objectives of the Project will be tp stufy gamma astron-omy and possible clusters of black material of our galaxy. The future benefits for Bolivia are important particularly for the development of science, technology and education

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1. INTRODUCCION

Los rayos cosmicos son partículas muy energeticas que viajan, casi a la velocidad de la luz, a traves del Universo en el que vivimos. En su gran mayorıa, los rayos cosmicos son átomos que han perdido la capa de electrones que los rodean, o en otras palabras, los rayos cosmicos son núcleos atómicos.

Estos rayos golpean la atmosfera terrestre provenientes del espacio exterior desde todas las direcciones posibles. Sus energías varıan enormemente de un rayo a otro y, a bajas energías, virtualmente todos los rayos cosmicos provienen del Sol, originados en fenomenos solares como las denominadas llamaradas solares. A medida que se estudian rayos cosmicos de más y más energía se encuentran nuevas fuentes que los producen, principalmente en nuestra galaxia¹. Una vez producidos en la fuente de origen, los rayos cosmicos comienzan su viaje a través de la Vía Lactea y, eventualmente, algunos de ellos llegan a la Tierra.

A pesar de que los rayos cosmicos han sido estudiados por mas de un siglo, aún quedan muchos misterios acerca de su origen y propagacion, especialmente a las energías mas altas. Para aclarar dichos misterios es necesario hacer observaciones de tres de las caracterısticas de estos rayos: su masa, su energía y su direccion de llegada. Los científicos utilizan observatorios de rayos cosmicos para determinar estas características con la mayor exactitud que les es posible.

Sin embargo, debemos notar que los rayos cosmicos son partículas con carga electrica y que el espacio exterior esta lleno de campos magnéticos de intensidades y orientaciones muy cambiantes. De manera similar a la que un iman atrae un alfiler, los campos magneticos de nuestra galaxia alteran las trayectorias de los rayos cosmicos, desviándolos de sus trayectorias originales y provocando la perdida de la informacion de la posición de la fuente que los genero. Por este motivo es muy importante hacer observaciones de rayos cosmicos que no tengan carga electrica, como por ejemplo, los rayos gamma.

Los rayos gamma son radiaciones electromagneticas de mucha energía y son capaces de interactuar con los nucleos atómicos que nos rodean. Estos rayos juegan un rol especial en el contexto de la astrofísica pues, al carecer de carga electrica, no son afectados por los campos magneticos y por ende apuntan a la fuente de donde provienen, de la misma manera que la luz visible senala la posición de la estrella que la emitio. En nuestra galaxia, el pulsar del Cangrejo es una fuente muy conocida de rayos gamma.

Hace mucho tiempo que los científicos estan intrigados por el centro de la Vía Lactea. Dicho centro posee una coleccion de objetos astrofísicos unicos que incluyen a un agujero negro supermasivo, enormes cumulos de estrellas, filamentos magnéticos y pulsares, por dar algunos ejemplos. Recientemente se han descubierto dos burbujas gigantescas de rayos gamma, cada una de un diámetro aproximado de 25000 años luz², en el centro de nuestra Vía Láctea. Es más, mediciones actuales parecen indicar un exceso de rayos gamma proveniente del centro galáctico. Dicho exceso podría asociarse a la presencia de materia oscura.

Dada su cercanía a la ciudad de La Paz, su altura sobre el nivel del mar y la excelente vision que ofrece del centro galactico, el monte Chacaltaya y sus inmediaciones representan un candidato ideal para construir un observatorio de rayos gamma.

 

2. EL LABORATORIO DE CHACALTAYA

El laboratorio de Chacaltaya es un establecimiento científico perteneciente a la Carrera de Física de la Universidad Mayor de San Andres, donde principalmente se desarrollan dos tipos de actividades: estudios de rayos cosmicos y de física atmosferica. Este laboratorio es la estacion científica en funcionamiento continuo mas alta del mundo y ha producido notables resultados en el ambito de la física.

Su fundacion se debe en gran medida al descubrimiento del pion. El pión es una partícula subatomica cuya existencia fue predicha por el físico japones Hideki Yukawa, en 1935. En 1947, científicos britanicos, brasileños e italianos, liderados por Ce-cil Powell, realizaron medidas en el monte de Chacaltaya y descubrieron la existencia del pion predi-cho por Yukawa. Por este descubrimiento, Hideki Yukawa y Cecil Powell recibieron el premio Nobel de la fısica en 1949 y 1950, respectivamente. Pocos años despues, se fundó el laboratorio de física de Chacal-taya. En los siguientes parrafos mencionaremos muy brevemente algunos de los experimentos mas notables del laboratorio de Chacaltaya.

En la decada de los 1970, gracias a un esfuerzo de científicos brasilenos y japoneses, se construyó una camara de emulsiones con la cual se produjeron, entre otras cosas, los llamados eventos Centauro. Estos eventos eran bastante inusuales en sus caracterısticas y permanecieron como un misterio durante casi 30 anos, con explicaciones que incluían la creacion de agujeros negros en miniatura. Finalmente, a inicios de este siglo de les dio una explicacion más convencional.

El grupo SYS (Saitama - Yamanashi - San Andres) opero un experimento de emulsiones nucleares e hicieron algunos descubrimientos acerca de las multiplicidades hadronicas, resultados que fueron confirmados seguidamente por el experimento KASKADE en Alemania.

Finalmente, uno de los experimentos mas importantes construidos en Chacaltaya empezo en la decada de 1960. Su nombre era Bolivian Air Shower Joint Experiment (BASJE) y se origino gracias al trabajo de cientficos estadounidenses, bolivianos y japoneses. Sus primeros resultados cientficos se produjeron en 1963 yalgunas de las tecnicas desarrolladas en este experimento se usan hoy en día en otros experimentos de rayos cosmicos. El experimento opero hasta el año pasado.

 

3. EL EXPERIMENTO TIBET AS GAMMA

El experimento Tibet AS gamma es un observatorio de rayos cosmicos situado en Yangbajing, China, a 4300 metros sobre el nivel del mar. El experimento se inicioen 1990 y fue mejorado dos veces, una en 1994 y otra en 1999. El ICRR participa activamente de este emprendimiento científico.

Los científicos chinos y japoneses que operan dicho observatorio han producido resultados notables en astronomía gamma, rayos cosmicos en general, física solar y física de partículas. Actualmente, el portavoz del experimento es el fısico japonés Masato Takita.

 

4. PROPOSITO

La principal motivacion para construir un nuevo observatorio en Chacaltaya es su posicion geográfica, que ofrece dos ventajas. Primero, su latitud geografica privilegiada, que permite observar el centro galactico con ángulos cenitales bajos (es decir, justo por encima de nuestras cabezas). Dado el inmenso interes que tiene la comunidad científica en el centro de nuestra galaxia, combinado con resultados recientes muy reveladores, hacen de Chacaltaya y sus alrededores un sitio ideal para observar el centro de la Vía Lactea. Segundo, la elevación por encima del nivel del mar ofrece una ventaja tecnica para estudiar a los rayos gamma provenientes del espacio.

 

5. VISITA DE CIENTIFICOS DEL ICRR

El ICRR es el acronimo en inglés del Instituto para la Investigacion de Rayos Cósmicos, perteneciente a la Universidad de Tokio, en Japon. Este instituto lleva muchos anos colaborando con el Instituto de Investigaciones Físicas de la UMSA; el primer convenio formal con el instituto data del 1981.

Con el animo de impulsar la construcción de un observatorio en Bolivia, el director del ICRR, junto a un equipo de cientıficos japoneses que incluye a Masato Takita del experimento Tibet AS Gamma, nos haran una visita el 2 de mayo del ano en curso. El director de dicho instituto es el senor Takaaki Kajita, quien ganó el premio Nobel de la Física en 2015 por su trabajo en el experimento Super Kamiokande. Gracias a este trabajo y a otro realizado en Canada, se pudo establecer experimentalmente que los neutrinos oscilan de un tipo a otro y que, por tanto, tienen masa³.

 

6. LUGAR CANDIDATO PARA EL NUEVO PROYECTO

Cerca de 4 kilometros al sur del monte Chacaltaya (16°21'12"S, 68°7'53"O), existe una region bastante plana, con una pendiente de cerca al 4%, en la cumbre del Cerro Estuquería (16°23'21" S, 68°7'39"O). Esta cumbre tiene un area de aproximadamente 220 000 m² a una altitud de 4750 metros sobre el nivel del mar. Este sitio es de facil acceso desde la ciudad de La Paz; en coche el viaje no excede la hora y media desde el centro de la ciudad. Estudios preliminares de la composicion del suelo, realizados por docentes e investigadores de la Carrera de Fısica de la UMSA y por investigadores japoneses del ICRR, determinaron que este sitio sería apto para los objetivos del nuevo proyecto.

El area es rural y sin actividad agrícola. En los alrededores existen pequenas comunidades en las cuales habitan pocas personas. Este sitio pertenece al distrito de La Paz, específicamente a la subal-caldía de Hampaturi. El ano pasado se iniciaron las negociaciones con las autoridades pertinentes y estamos progresando en las negociaciones con los pobladores.

 

7. BENEFICIOS PARA BOLIVIA

Dada la envergadura del observatorio y el alto nivel de los científicos involucrados, los beneficios para el paıs podrían ser diversos y muy importantes:

•  La llegada de un experimento de este nivel nos darıa la oportunidad de expandir programas de educacion e interacción social en el ambito científico a niveles sin precedentes. Es una oportunidad de informar y cautivar a ninos, adolescentes, estudiantes, profesores y al publico en general sobre los rayos cósmicos, la física nuclear y de partıculas, la astrofísica, la tecnología y la emocion del descubrimiento científico.

•  Como sucede en todo experimento cientıfico de gran magnitud, el exito del mismo dependera de estudiantes de pregrado y posgrado, asistentes, ingenieros, tecnicos, docentes e investigadores, tanto nacionales como extranjeros, provenientes de diversas facultades, universidades e institutos, todos financiados con dinero proveniente de sus instituciones y otras fuentes. El clima científico que generaría este proyecto, gracias a las interacciones de todos los profesionales y estudiantes involucrados, beneficiarıa al conjunto de personas en su totalidad. No solo porque existiría un intercambio de conocimiento cientfico, tecnológico y técnico, sino tambien porque personas de culturas distintas tendrían la oportunidad de entablar relaciones profesionales y personales entre ellas. Particularmente, para un paıs como Bolivia, la realizacion de un experimento de esta talla ofrece una oportunidad extraordinaria para que investigadores, docentes y estudiantes de ciencias e ingenieras se involucren en investigacion científica de altsima calidad.

 

NOTA

^a Dependiente de la Carrera de Fısica de la Facultad de Ciencias Puras y Naturales, http://www.fiumsa.edu.bo

^b Institute for Cosmic Ray Research, http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/indexeng.html

^c La materia oscura es una substancia que no interactua con la luz (es decir, que es perfectamente transparente) y que contribuye con cerca al 27% de la masa total del Universo. En contraste, la materia normal que nos rodea contribuye solo con 4%. La existencia de la materia oscura ha sido inferida de los efectos gravitacionales que ejerce sobre la materia visible, sus efectos sobre la estructura a gran escala del Universo y su influencia sobre la radiacion cósmica de fondo.

¹ En la comunidad cientıfica es bien sabido que tanto los remanentes de supernovas como los pulsares son emisores de rayos cosmicos.

² Un ano luz es aproximadamente igual a 9 460 730 472 581 km.

³ Los neutrinos son partículas subatomicas que no poseen carga electrica e interactúan a través de la gravedad y la fuerza débil. La principal fuente local de neutrinos es el Sol y, algunas veces, se los considera como rayos cosmicos.