Potencial Científico del Cherenkov Telescope Array Observatory

El entendimiento de la naturaleza de los rayos cósmicos, galácticos y extragalácticos, es una tarea desafiante para los observatorios actuales. Asimismo, resultados recientes de los observatorios de rayos gamma en operación, han revelado cientos de fuentes astrofísicas de fotones con energías desde cientos de GeV hasta energías de cien de TeV. Sin embargo, nos encontramos en la etapa en que las observaciones dejan más incógnitas que respuestas. Con la generación actual de observatorios hemos comenzado a investigar el universo a tan altas energías y ya nos está haciendo falta instrumentos con mayor sensibilidad, resolución angular y de energía y con mayor campo de visión. Por lo que para la siguiente generación se está construyendo el observatorio de rayos gamma Cherenkov Telescope Array Observatory (CTA) que será el instrumento más grande, con elementos en ambos hemisferios terrestres. En esta plática presentaré su diseño, estado de la construcción y su potencial científico con principal énfasis en fenómenos transitorios, estudios multifrecuencia y multimensajero.

The classification of shower events detected by HAWC observatory

The main issue of the ground-based gamma-ray observatory is the huge amount of charge particles detected. So the High Altitude Water Cherenkov (HAWC) has to apply a technique to distinguish between the shower produced by a gamma ray and by a hadron. In these work, we describe the HAWC official techniques to separate the gamma events from hadron events and two new implementations using the most popular machine learning techniques: boosted decision tree and neural networks. In the test stage, we used three astrophysics sources the Crab Nebula, and two blazars to compare between techniques. We acknowledge the support from PAPIIT IG101320.

Variaciones atribuidas a eventos de clima espacial en el Telescopio de Neutrones Solares de Sierra Negra, Puebla

Se estudió la influencia de eventos de clima espacial, ocurridos desde diciembre de 2015 hasta enero de 2022, sobre los canales de detección del Telescopio de Neutrones Solares (TNS) en Sierra Negra, Puebla, localizado a 4580 msnm. Estos eventos provocaron tormentas geomagnéticas que se clasificaron con base en los índices Dst y Kp, como moderadas (Dst ≤ -50 nT, Kp ≥ 5) e intensas (Dst ≤ -100 nT, Kp ≥ 7). Los canales S2, S3, S4, S2Anti, S3Anti y S4Anti del TNS fueron analizados durante las tormentas geomagnéticas del periodo establecido. Estos canales detectan partículas cargadas y partículas neutras con niveles de deposición de energía de E > 60, 90 y 120 MeV, respectivamente. Se encontraron variaciones significativas en la tasa de conteo de al menos un canal del TNS para 20 de los 26 eventos estudiados.

SWGO, un  observatorio de rayos gamma de nueva generación en los Andes Sudamericanos

En 2019 se formó la colaboración SWGO (Southern Wide-field Gamma-ray Observatory) con el fin de construir un observatorio de rayos-gamma (100 GeV - 1 PeV) en el hemisferio sur basándose en el éxito de HAWC pero cuatro a diez veces más grande y a mayor altura. Durante este tiempo se han identificado posibles sitios en Argentina, Bolivia, Chile y Perú, se ha definido un arreglo de referencia y se están modelando diferentes variaciones para optimizar su desempeño y se está haciendo el desarrollo del detector y la electrónica. Se presentará el estado actual del proyecto y sus objetivos científicos.

Observaciones del Mini Monitor de Neutrones en Sierra Negra

El Mini Monitor de Neutrones (MNM) mexicano se encuentra en el Volcán Sierra Negra en el estado de Puebla a una altura de 4100 m de altura y a una latitud de 19 grados norte, con una rigidez de corte de aproximadamente 8 GV. El MNM ha trabajado permanentemente (con algunas interrupciones) a partir del año 2015, por lo que actualmente contamos con 7 años de datos que abarcan la parte descendente del ciclo 24, el mínimo solar y la fase ascendente del ciclo 25. En este trabajo presentamos las observaciones del MNM, analizamos su dependencia con la presión, temperatura y alto voltaje. Una vez corregidos por esos factores los comparamos con diversos índices de la actividad solar, como el número de manchas, los parámetros del viento solar y cambios del campo geomagnético.

Espectro total de energía de rayos cósmicos medido con HAWC entre 10 TeV y 1 PeV

El observatorio de rayos cósmicos y rayos gamma HAWC es uno de los más importantes dentro del área de la astrofísica de altas energías a nivel nacional e internacional. La colaboración HAWC está formada por investigadores de México, Estados Unidos, Europa, América del Sur y de Asia. Su objetivo principal es encontrar las fuentes de rayos cósmicos galácticos y estudiar el universo a altas energías. Otro de los objetivos de la colaboración es estudiar las propiedades físicas de los rayos cósmicos, entre ellas su espectro total de energía en la región de 10 TeV a 1 PeV. El estudio del espectro es importante, ya que contiene claves para comprender los mecanismos de producción y propagación de esta misteriosa radiación. En este trabajo presentamos una actualización sobre el estudio del espectro total de rayos cósmicos realizado con HAWC. Se usaron datos recolectados entre Enero del 2018 y Diciembre del 2019. Para la estimación del espectro se utilizó un método de deconvolución usando el algoritmo de Bayes. Por otra parte, para la calibración de la energía primaria de los eventos se utilizó el modelo de interacción hadrónica QGSJET-II-04. Los resultados de este trabajo indican la presencia de un corte alrededor de 30 TeV en el espectro total. Dicha estructura fue previamente reportada por la colaboración HAWC en el 2017.

Algunas aportaciones relevantes del observatorio de rayos gamma HAWC

El observatorio HAWC ha operado de forma prácticamente continua por más de siete años, muestreando el cielo a la luz de los rayos cósmicos y rayos gamma con energías de TeV. HAWC representa un hito en la participación de la comunidad científica mexicana en astrofísica de altas energías. Se presentarán algunos de los principales resultados de HAWC en estos temas, con una revisión bibliográfica de su impacto.

Simulación preliminar del Telescopio Centellador de Rayos Cósmicos (SciCRT) de Sierra Negra

Llevamos a cabo la simulación de los componentes activos del Telescopio Centellador de Rayos Cósmicos (SciCRT). El SciCRT es un detector de rayos cósmicos de última generación y forma parte del Observatorio de Rayos Cósmicos de Sierra Negra (ORC-SN) que se encuentra en la cima del volcán de Sierra Negra en Puebla, México (19.0 N 97.3 O) a 4580 m s.n.m. (584 g/cm​2​). Debido a su posición geográfica y altitud, el ORC-SN es un sitio de observación de rayos cósmicos de nivel internacional. Con base en la herramienta Geant4 se diseñó el detector y se simuló la capacidad de detección para diferentes especies de partículas. Obtuvimos distribuciones de deposición de energía para partículas incidiendo verticalmente sobre el volumen del detector con energías de 100, 250, 500 y 1000 MeV. Nuestros resultados son consistentes con resultados de simulaciones previas y, con el uso de nuevas bibliotecas de programación, se aporta nueva información sobre la respuesta del detector a la detección de las partículas inyectadas.

Estudio de la componente muónica en la distribución lateral de cascadas atmosféricas

Las simulaciones de cascadas atmosféricas son de gran importancia para inferir las propiedades de los rayos cósmicos que las producen. Para interpretar las mediciones de observatorios de detectores superficiales de agua Cherenkov es conveniente estudiar la distribución lateral de las partículas secundarias que llegan al suelo. En este estudio se utilizó el programa AIRES con tres modelos de interacciones hadrónicas de altas energías para simular cascadas atmosféricas iniciadas por protones y núcleos de hierro con energías entre 1 y 100 TeV, con el objetivo de estudiar la distribución lateral de la componente muónica en la ubicación del observatorio HAWC. Se ajustó la distribución lateral a una función de tipo NKG modificada para observar el comportamiento de los parámetros libres en función de la energía primaria, la partícula primaria y el ángulo de incidencia, relacionándolos con el número de muones y la edad de la cascada. Es notable que los parámetros de la distribución no son observables que permitan discriminar entre modelos de interacciones hadrónicas; se compararon los modelos Sibyll 2.3d, EPOS-LHC y QGSJETII-04 encontrando diferencias de aproximadamente 12% en promedio, siendo QGSJET el que más discrepa de los otros con diferencias máximas de 60%. Contrario a las predicciones de modelos analíticos, se observa que en las distancias de interés ($R<$ 300 m) las cascadas de protones presentan mayor número de muones que las de hierro hasta aproximadamente 30 TeV, mientras que al incrementar la energía la situación se invierte. Por otro lado, el parámetro relacionado con la edad de la cascada sí se comporta de acuerdo a lo esperado: las cascadas de protones teniendo menor edad que las de hierro. Por último se calculó una aproximación del número de muones que podrían detectarse en HAWC, estimando que a bajas energías no llegarían suficientes muones para distinguir cuál modelo de interacciones hadrónicas describe mejor los datos.

Variación diaria del promedio de la frecuencia de detección de muones usando el observatorio HAWC

La motivación de este estudio es poder caracterizar los efectos de la variación de la temperatura atmosférica en la tasa de detección de muones en el observatorio HAWC. Cambios en la temperatura atmosférica pueden producir variaciones en su densidad, afectando la propagación de los mesones que decaen produciendo muones. Se presentarán resultados preliminares de la estabilidad de la tasa de conteo de muones, usando como aproximación de su detección a eventos donde múltiples PMTs (tubos fotomultiplicadores, en inglés PhotoMultiplier Tubes) se activan en coincidencia, preferiblemente la activación simultánea de los 4 PMTs que están contenidos en cada detector de luz Cherenkov en agua (WCDs por sus siglas en inglés Water Cherenkov Detectors ) de HAWC. Los datos para este análisis fueron obtenidos a partir del sistema de cuentas escalares TDC (Time-to- Digital Converter), el cual provee un conteo de las señales donde uno o más de un PMT en cada WCD se activó en una ventana de tiempo fija. Para caracterizar las señales de cada día usamos intervalos de datos de aproximadamente 20 minutos al inicio, en medio y al final de cada día, obteniendo el promedio diario. Presentaremos la información preliminar obtenida en la primera mitad del año 2018

Uso de Redes Neuronales para el estudio de Rayos Cósmicos

Reportamos los resultados preliminares del uso de redes neuronales para estudiar la composición másica de rayos cósmicos de energías arriba de los $10^{17}$ eV. Este estudio se implementa mediante el entrenamiento de redes neuronales utilizando chubascos de partículas (Extensice Air Showers) simuladas con diferentes modelos hadrónicos, se simulan al menos 2 tipos de partículas Protones y Hierro. Usamos el paquete Montecarlo CONEX para simular una gran cantidad de estos rayos cósmicos, estas simulaciones proporcionan el máximo desarrollo de la lluvia en la profundidad atmosférica llamada ($X_{max}$) parámetro sensible a la composición de los rayos cósmicos primarios.

Espectro de rayos cósmicos estimado con los IACTs compactos HAWC's Eye y el observatorio HAWC

J. Audehm, T. Bretz, O. Chaparro-Amaro, G. Do, M.M. González, F. González, A. Iriarte, J. Martínez-Castro, M. Martínez-Felipe, F. Maslowski, Y. Pérez, F. Rehbein, F. Tischbein, I. Torres and M. Schaufel. En la astrofísica de altas energías las técnicas de observación de rayos gamma se complementan mutuamente, brindando mejores resultados cuando se realizan observaciones conjuntas o híbridas. HAWC’s Eye es un telescopio refractivo de luz Cherenkov, con amplio campo de visión ($6^\circ$) que esencialmente esta compuesto por una lente de Fresnel y una matriz de 64 fotomulplicadores de Silicio (SiPMs). HAWC es un observatorio de rayos gamma compuesto por un arreglo de detectores de Cherenkov en agua en operación en el Volcán Sierra Negra, Puebla, México a 4,100 msnm. En el presente trabajo se muestran los primeros resultados sobre la reconstrucción del espectro de rayos cósmicos a partir de datos obtenidos durante una campaña de observación híbrida realizada con los IACTs compactos HAWC's Eye en conjunto con el observatorio de rayos gamma HAWC. Este proyecto fue realizado gracias al apoyo del proyecto PAPIIT IG101320.

Simulación con GEANT4 de un WCD

Presentamos un “modelo de juguete” de la simulación de un Detector Cherenkov de Agua (WCD), usando el paquete de simulaciones de Montecarlo Geant4. Los Tanques de agua Cherenkov (WCD) son detectores basados en el efecto Cherenkov. Un simple depósito de plástico (Auger) o metal ( HAWC) etc, se llenan de agua y se cierran. Los tubos fotomultiplicadores se instalan dentro del detector ya sea en el fondo (HAWC) o en el tope (Auger). Cuando una partícula atraviesa el volumen de agua, emitirá luz en un cono de Cherenkov. Luego, la luz se uniformiza en el volumen de agua por difusión en las paredes del tanque (generalmente cubiertas por un material altamente difusor) y finalmente se recolecta en los tubos fotomultiplicadores. Todos estos procesos se pueden simular con Geant4. Este modelo sencillo permite a novatos adentrarse en este campo que es tan importante para muchos experimentos de física de altas energías, puede ser usado como base para aumentar el grado de detalle del experimento final a simular.

Analisis de datos simulados usando uproot + pandas y más …

Presentamos un primer acercamiento a ciencia de datos haciendo el análisis de simulaciones MonteCarlo, realizadas con el paquete CONEX, usamos UPROOT para leer los archivos generados de las simulaciones que son de tipo root y para el análisis usamos herramientas más flexibles como pandas entre otras que últimamente se han vuelto muy populares en áreas de ciencia de datos y que en física de altas energías es importante conocer y usar para realizar predicciones por ejemplo, mostramos diferentes análisis de estos datos usando toda la amplia variedad de herramientas, librerías etc, con las que cuenta python.

Estimación de la frecuencia de arribo de muones atmosféricos con una cámara de niebla

En este trabajo se presentará una estimación de la frecuencia de arribo de muones atmosféricos utilizando una cámara de niebla construida en el laboratorio de partículas elementales de la FCFM-BUAP. Se presentará un análisis de las trayectorias de partículas cargadas que atraviesan la cámara de niebla y se discutirá un método para la selección de muones atmosféricos. Esta medición será comparada con la obtenida mediante 2 sistemas diferentes: un telescopio de muones y con el sistema electrónico denominado contador lógico de partículas (patente registrada MX-001505).

Construcción y caracterización con muones atmosféricos de un detector gaseoso tipo RPC

Los detectores gaseosos como las RPC son ampliamente utilizados en experimentos de altas energías y astro partículas. Se utilizan principalmente como sistemas de disparo e identificación de partículas aprovechando la excelente resolución temporal que alcanzan. En este trabajo se reportará la construcción de un detector tipo RPC creado en el laboratorio de partículas de la FCFM-BUAP. Se reportará su eficiencia y resolución temporal utilizando un telescopio de muones atmosféricos. Se discutirán los alcances de este proyecto para experimentos de rayos cósmicos y de colisionadores.

Implementación de un detector de rayos gamma en base ARDUINO para el estudio de la Influencia de las condiciones climatológicas en la detección de rayos gamma en la ciudad de Zacatecas, Zac

Se busca la implementación de un dispositivo, con base en ARDUINO, provisto de un detector Geiger integrado que sea capaz de detectar fotones (radiación gamma), en una zona geográfica determinada. De igual forma, se analiza la influencia de la variación de las condiciones meteorológicas para la detección de partículas y su respectiva energía. En el presente trabajo se intentará determinar la tasa de conteo de los rayos cósmicos presentes en el mínimo de actividad solar, así como en el aumento de actividad solar del ciclo número 25. Este tipo de estudios es relevante para la comunidad científica así como a la población en general, ya que da un estudio detallado sobre la cantidad de radiación natural a la que está expuesta la población diariamente y sus detalles físicos, así como las condiciones que forman su naturaleza.

Toma de datos del Detector de Fluorescencia (FD) del Observatorio de rayos cósmicos Pierre Auger, desde el CIIEC-BUAP

Presentamos el estado de la actualización de un Cuarto de Monitoreo y toma de Datos de forma remota del Detector de Fluorescencia (DF) del Observatorio de rayos cósmicos Pierre Auger (OPA), este observatorio se encuentra en Malargue Mendoza Argentina. Se presentan las experiencias y retos para un primer acercamiento de estudiantes de física, para Operar uno de los detectores principales del OPA pero de forma remota desde el Centro Interdisciplinario de Investigación y Enseñanza de la Ciencia (CIIEC-BUAP).