Estimaciones de la medición de Astropartículas con MATHUSLA

El experimento MATHUSLA es una propuesta concebida como un hodoscopio de grandes dimensiones a nivel del suelo, cercano al punto de interacción del detector CMS en el CERN. Su objetivo es buscar vértices desplazados del decaimiento de partículas neutras de larga vida (LLP, del inglés Long Live Particles) durante las tomas de datos de alta luminosidad del LHC, en un ambiente con bajo fondo. Las LLP’s son predichas en distintos escenarios más allá del Modelo Estándar de partículas elementales, los cuales tratan de resolver problemas abiertos en la Física de altas energías. La idea detrás de MATHUSLA es monitorear un gran volumen de aire (100m x 100m x 25m), con un conjunto de planos de detectores a manera de hodoscopio para buscar los vértices desplazados producidos por las LLP’s. El diseño actual de MATHUSLA contiene módulos de 9m x 9m formados por barras de plástico centellador (4.6m x 4.5m x 2cm) en cada plano del detector, los cuales darán información temporal y espacial de las partículas cargadas que lleguen al detector. Debido a su configuración, el diseño de MATHUSLA podría ser también sensible a chubascos atmosféricos extendidos (EAS) producidos por rayos cósmicos (RC). Sin embargo, podría estar limitado como detector de EAS debido a una posible saturación del instrumento. Para mejorar la capacidad de MATHUSLA para detectar chubascos atmosféricos sobre 100 TeV’s, se propuso agregar una capa extra de RPC’s (Cámaras de Placas Resistivas). En la charla se presentan resultados de un estudio MC para analizar la sensibilidad de MATHUSLA a la detección de RC. Se podrían obtener mediciones espaciales y temporales únicas de un EAS para estudios del espectro de energía, la composición y la distribución de llegada de los RC, así como también para probar los modelos de interacción hadrónica empleados actualmente. Además, el detector ofrece la capacidad para dar seguimiento de la trayectoria de las partículas, en especial las de chubascos inclinados.

Efecto del Campo Eléctrico Atmosférico en la componente secundaria de los rayos cósmicos

Las partículas primarias que provienen de los rayos cósmicos al interaccionar con la atmósfera de nuestro planeta genera chubascos de partículas secundarias. Estas partículas incidentes son afectadas por diferentes factores atmosféricos, como lo es la temperatura, presión, densidad y campos eléctricos que se forman en las nubes de tormenta. Los campos eléctricos atmosféricos (CEA) constituyen un factor importante que perturba el flujo de partículas secundarias que provienen de los rayos cósmicos. Se ha encontrado que durante las tormentas eléctricas la tasa de conteo de las partículas secundarias aumenta gradualmente. Observatorios de rayos cósmicos de detectores Cherenkov a gran altura se ven afectados frecuentemente por tormentas eléctricas. Observatorios de gran altitud, área de observación y alta sensibilidad a los chubascos de rayos cósmicos se pueden usar para investigar la aceleración de partículas debido a los campos eléctricos presentes dentro de las nubes de tormenta. En este trabajo se presentan las simulaciones que nos permiten calcular la probabilidad de que un observatorio tipo Cherenkov registre electrones de fuga y rayos gamma producidos por los intensos campos eléctricos dentro de las nubes de tormenta.

Acerca de la producción de rayos cósmicos en pulsares

La asociación de fuentes detectadas por el observatorio de rayos gamma HAWC con pulsares energéticos plantea varias cuestiones. Estas fuentes son del tipo "pulsar wind-nebula" o "TeV halo", en lo que parece ser una secuencial evolutiva guiada por la difusión de electrones. Una pregunta abierta es la energía máxima a la que los pulsares pueden acelerar electrones y positrones, y la posibilidad de generar rayos gamma ultra energéticos mediante mecanismos leptónicos. Por otro lado, existe la alternativa de que las fuentes observadas estén dominadas por procesos hadrónicos, requiriendo un proceso adicional para que los pulsares funcionen como aceleradores de hadrones. En esta presentación revisamos estos dos esquemas a la luz de las observaciones más recientes.

Estudio de eventos con alta multiplicidad de muones con el experimento ALICE-LHC del CERN

El estudio de los rayos cósmicos con experimentos de aceleradores subterráneos comenzó con los detectores LEP del CERN. ALEPH, DELPHI y L3 estudiaron algunas propiedades de los muones atmosféricos como su multiplicidad y momento. En los últimos años, los experimentos ALICE y CMS del LHC han llevado a cabo una ampliación y mejora de dichos estudios. Aprovechando las capacidades de reconstrucción de los detectores de trazas, ALICE ha logrado estudiar la taza de eventos con alta multiplicidad de muones reconstruidos por su detector principal (TPC). En esta charla se presentan los resultados de este análisis y su comparación con las predicciones de los modelos EPOS-LHC, QGSJET-II-04 y SIBYLL.

Influencia de Campos Eléctricos Atmosféricos sobre las Mediciones del Telescopio de Neutrones Solares en Sierra Negra

Durante el periodo de octubre 2019 a abril 2020 se realizaron análisis experimentales del efecto de los campos eléctricos atmosféricos, producidos por tormentas eléctricas, sobre la intensidad de rayos cósmicos detectados por el Telescopio de Neutrones Solares (TNS). El TNS es parte del Observatorio de Rayos Cósmicos en Sierra Negra (ORC-SN), Puebla, México. El ORC-SN se encuentra a una altura de 4580 msnm y cuenta con un monitor de campos eléctricos Boltek EFM-100, el cual se utilizó para determinar la ocurrencia de tormentas eléctricas. El análisis de datos registrados por tres canales del TNS que detectan partículas cargadas con niveles de energía de E ≥ 30-90 MeV resultó en variaciones significativas probablemente atribuibles al efecto del campo eléctrico atmosférico; específicamente, a los mecanismos de muones y electrones.

Identificación de trazas de muones horizontales con redes neuronales en HAWC

El observatorio HAWC (High Altitud Water Cherenkov) es un instrumento de investigación conformado por un arreglo de 300 detectores ubicado en una de las laderas del volcán Sierra Negra en el estado de Puebla. Este observatorio es un detector de rayos gamma que en los últimos años ha implementado algoritmos para la identificación de trazas de muones horizontales. Sin embargo, estos algoritmos no son tan eficientes. En este trabajo se describe la implementación de dos redes neuronales artificiales, la primera se enfoca en clasificación de imágenes y la segunda en detección de objetos. Usando estas redes obtenemos un aumento en el número de trazas identificadas. Con los resultados obtenidos en este trabajo se podría aumentar el número de candidatos para la detección indirecta de neutrinos con HAWC usando la técnica Earth-Skimming.

Contribuciones mexicanas a la astrofísica de Rayos Cósmicos de órbitas bajas

A pesar de sus altas energías, los rayos cósmicos (RC) no consiguen atravesar la atmósfera terrestre, teniendo su primera interacción a alturas que rondan los 20 km. Con pocas excepciones, detectores superficiales solo realizan observaciones indirectas a través de las cascadas de partículas secundarias generadas en la atmósfera, que se utilizan para inferir los parámetros cinemáticos e identidad del RC primario. A bajas energías, el flujo es suficientemente alto como para que un detector relativamente pequeño, que pueda ser instalado en las dimensiones restrictas de un satélite, tenga una sección transversal viable, y medidas detalladas pueden realizarse desde órbita. No obstante, el flujo cae en cerca de un factor mil por cada década de energía, limitando el uso de un detector espacial tradicional, y se recurre primero a globos estratosféricos y después a arreglos progresivamente grandes de detectores en superficie. Por otra parte, a ultra altas energías, decenas de EeV, la emisividad de fluorescencia en Nitrógeno atmosférico y/o Cerenkov en aire, notadamente en el caso del decaimiento del Tau de neutrinos rasantes, permite usar nuevos detectores ópticos desde el espacio, incrementando el área efectiva de los mismo a centenas de millares o millones de km2. En esta charla presentaremos las contribuciones realizadas en el Laboratorio de Instrumentación Espacial, LINX, del ICN-UNAM, a los esfuerzos internacionales por desarrollar estas nuevas técnicas en la frontera de energía.

Dependencia del Coeficiente Barométrico con la Rigidez Geomagnética de Corte para Monitores de Neutrones

Varios estudios han demostrado que las variaciones de intensidad de los rayos cósmicos observadas en la superficie de la Tierra pueden ser una herramienta útil para analizar y predecir los fenómenos meteorológicos y climáticos del espacio. Sin embargo, antes de llegar al nivel del suelo, las partículas de los rayos cósmicos interactúan con diferentes átomos atmosféricos. Esto da lugar a la generación de diferentes partículas secundarias que se ven afectadas de forma diferente por los efectos atmosféricos. Por ejemplo, los datos de los monitores de neutrones, que se utilizan ampliamente para estudiar los cambios de flujo de los rayos cósmicos relacionados con los fenómenos espaciales, se ven significativamente afectados por los cambios de presión atmosférica. De este modo, buscamos entender cómo cambia este efecto en función de la energía de los rayos cósmicos. Así, en este trabajo, comparamos cómo cambia el coeficiente barométrico ($\beta$), que cuantifica el efecto de la presión sobre la intensidad de los rayos cósmicos, con la rigidez de corte geomagnético ($R_C$), que cuantifica la rigidez/energía mínima que necesita una partícula primaria para alcanzar un lugar determinado en una dirección elegida. Para ello, utilizamos datos registrados entre enero de 2008 y diciembre de 2016 por varios monitores de neutrones de todo el mundo con $R_C$ de 0.1 a 8.3 GV. Al igual que otros trabajos, encontramos que el efecto presión parece presentar una relación logarítmica con la rigidez de corte cuando estimamos $\beta$ mediante el método típico utilizado. Por otro lado, encontramos que el efecto de la presión disminuye linealmente con la rigidez de corte cuando consideramos un ajuste en este método típico para eliminar las variaciones isotrópicas externas. Esta relación lineal parece no cambiar en función del monitor de referencia elegido.

Caracterización del telescopio atmosférico Cherenkov M@TE

El proyecto M@TE consiste en la instalación de un telescopio atmosférico Cherenkov, en el Parque Nacional de San Pedro Mártir (SPM), Baja California, para monitorear la emisión de blazares en rayos gamma y ampliar la cobertura de observaciones que ya realiza el telescopio First G-APD Cherenkov Telescope (FACT). M@TE es el sucesor de FACT, con una cámara, espejos y sistema de posicionamiento mejorados. Para caracterizar el desempeño del instrumento, se realiza una simulación Monte Carlo con el software Corsika, que genera cascadas de partículas en la atmósfera y su emisión Cherenkov, así como software desarrollado para simular el instrumento FACT adaptado a los cambios de diseño de M@TE y las condiciones de SPM. En este trabajo se presentarán resultados preliminares. Este proyecto fue realizado gracias al apoyo del proyecto PAPIIT IG101320.

Minería de datos aplicada al Observatorio de Rayos Cósmicos de Sierra Negra

El Observatorio de Rayos Cósmicos de Sierra Negra (ORC-SN) 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. (578 g/cm​2​). Debido a su posición geográfica y altitud, es un sitio privilegiado para detectar rayos cósmicos. Dada su importancia, nos interesa identificar variaciones en los datos que se registran. Los detectores más importantes del ORC-SN son el Telescopio de Neutrones Solares de Sierra Negra (TNS-SN) y el Telescopio Centelleador de Rayos Cósmicos (SciCRT, por sus siglas en inglés). En este trabajo, realizamos un análisis exploratorio de una muestra de datos obtenidos por el TNS-SN. La muestra corresponde a un día completo (07 de septiembre, 2017), durante el cual se registraron dos fulguraciones (X1.3, a las 14:35 UT y M3.9, a las 23:52 UT), que emitieron neutrones solares con E > 100 MeV. Llevamos a cabo un análisis de cúmulos para corregir señales espurias y, posteriormente, identificar variaciones con significancia superior a ±3σ. Como resultado preliminar, logramos la limpieza de la muestra seleccionada. Actualmente nos encontramos en proceso de extender este análisis a la totalidad de la base de datos del ORC-SN. Por otra parte, no se encontraron variaciones significativas (neutrones solares) que puedan ser atribuidas a las emisiones de las fulguraciones X1.3 y M3.9.

Análisis de datos de Simulaciones Montecarlo usando pyroot

En física de altas energías es importante realizar un buen análisis de los datos obtenidos, para esto existen varios framework especializados, dependiendo del tipo de experimento como root, geant4, etc, donde se requiere de experiencia en programación orientada a objetos y más, sin embargo actualmente python ha adquirido mucha popularidad en el área de las ciencias, porque es una herramienta mas sencilla de aprender y manejar, por eso, en este trabajo presentamos un primer acercamiento del análisis de datos a partir de simulaciones Montecarlo, realizadas con el software CONEX con diferentes modelos hadrónicos y dos primarios (p, Fe), se usa pyroot para leer los archivos generados y trabajar con ellos en la forma usual de python, mostraremos diferentes ejemplos de análisis de estos datos usando toda la amplia variedad de herramientas, librerías etc, con las que cuenta python.

Técnicas de Ciencia de Datos Aplicadas a Simulaciones de Lluvias de Astropartículas con CORSIKA

El objetivo principal de esta investigación consiste en el uso del programa CORSIKA, es cual es capaz de realizar múltiples simulaciones de lluvias iniciadas por rayos cósmicos de altas energías para obtener grandes cantidades de información para realizar el análisis estadístico de dichas lluvias de partículas. Se han analizado partículas como fotones, protones y de hierro, entre otras, procesando la información mediante técnicas de ciencia de datos y el uso de supercómputo.

Medición del cociente protón - anti protón a energías de TeV con HAWC

El observatorio HAWC, ubicado en el parque nacional Pico de Orizaba, es capaz de detectar cascadas atmosféricas producidas por rayos cósmicos. Los rayos cósmicos son partículas cargadas que llegan a la Tierra desde todas direcciones, una parte de esta partículas son protones y antiprotones, el objetivo de este trabajo es medir la cantidad de protones y antiprotones que llegan a la Tierra usando la sombra de la Luna vista por HAWC. Para tener una estimación de la fracción de protón-antiprotón se parte del hecho de que las partículas cargadas interactúan con el campo geomagnético y por tanto son deflectadas según la fuerza de Lorentz. La Luna actúa como escudo de los rayos cósmicos por lo tanto produce una sombra, gracias a la interacción con el campo geomagnético se espera ver dos sombras de la Luna, una producida por protones y otra por antiprotones. La sombra de la Luna se caracterizó con una función gaussiana 2D de seis parámetros, ya que los antiprotones son deflectados con la misma magnitud pero en sentido opuesto asumimos que la antisombra es la reflexión de la sombra, la proporción entre las magnitudes de las dos sombras es el cociente protón-antiprotón. Esperamos que la intensidad de la antisombra sea al menos cuatro órdenes de magnitud menor que la intensidad de la sombra por lo que es complicado observarla a simple vista, por lo tanto se realizó un ajuste de verosimilitud entre el mapa observado y las funciones gaussianas asociadas a la sombra y antisombra. Presentaremos resultados preliminares con 31 meses de datos del observatorio HAWC.

Investigación de la composición de los rayos cósmicos con HAWC entre 10 TeV y 250 TeV

La composición de los rayos cósmicos en el intervalo de energía de 10 TeV a 1 PeV ha sido poco explorada. Conocer la composición de esta misteriosa radiación es importante para poner a pruebas diferentes modelos astrofísicos sobre las fuentes, el mecanismo de aceleración y la propagación de los rayos cósmicos en nuestra galaxia. Usando el observatorio astrofísico HAWC, hemos logrado estimar, con una gran estadística, la composición de los rayos cósmicos entre 10 TeV y 250 TeV. Para ello hemos extraído los espectros de energía de los núcleos atómicos ligeros y pesados usando técnicas de deconvolución basadas en el método de Gold y datos de HAWC sobre la energía primaria y la edad lateral de los chubascos de partículas que los rayos cósmicos inducen en la atmósfera. Las mediciones se presentan en un rango de energía privilegiado donde es posible llevar a acabo comparaciones con observaciones directas desde el espacio. En este trabajo mostramos los resultados de nuestras mediciones para los espectros de energía de tres grupos de masa de los rayos cósmicos: H, He y núcleos pesados (Z > 2), mismos que son comparados con mediciones directas de experimentos de precisión recientes.

Simulación de la emisión de alta energía del Cangrejo con el Areglo de Telescopios Cherenkov (CTA)

Realizamos simulaciones de la región de la nebulosa del Cangrejo como sería observada por el Arreglo de Telescopios Cherenkov (CTA), con interés en rayos gamma de alta energía ($E>1~\text{TeV}$). La emisión incluye la emisión de la nebulosa, así como la emisión del pulsar del Cangrejo. El objetivo es estudiar la sensibilidad del arreglo para determinar los parámetros asociados a la emisión proveniente del Pulsar. Presentamos la curva de luz obtenida tras el análisis con ctools. También realizamos una comparación entre los dos diferentes sitios del arreglo, Norte y Sur. Estos estudios son relevantes dado que las observaciones a muy altas energías de la emisión pulsada contribuyen a la determinación de los parámetros de su espectro, así como el desfase que pueda presentarse con observaciones en otras frecuencias. Esta información permitirán obtener constricciones muy importantes a los modelos de emisión del pulsar.

Respuesta del sistema contador de HAWC ante la presencia de Eyecciones de masa coronal interplanetarias

Recientemente mostramos que el sistema de contadores del observatorio HAWC constituye una buena herramienta para estudiar el clima espacial. En particular observamos un incremento en la tasa de conteo de rayos cósmicos galácticos (RCG) cuando una eyección de masa coronal en el medio interplanetaria (EMCI), con topología helicoidal de tubo de flujo magnético (TFM) pasó alrededor de la Tierra en agosto de 2016. En este trabajo, presentamos el estudio detallado de dicho evento y el modelo propuesto para explicar cómo los RCG pueden ser guiados por un TFM y generan anisotropias que pueden ser detectadas como excesos de flujo de RCG en la dirección del eje del TFM. Además, presentamos los resultados preliminares de la respuesta de HAWC ante la presencia de una EMCI que pasa en los alrededores de la Tierra.

Cálculo de área efectiva para detectores de rayos cósmicos de gran altura en rangos de bajas energías

Los detectores de rayos cósmicos y radiación gamma de gran área y gran altura tienen como propósito el estudio y observación de partículas de muy altas energías (en el rango de 50 GeV - 100 TeV), y es por eso que el área efectiva para este rango de energías está bien definida. Por otra parte, en trabajos recientes se ha mostrado que estos detectores son sensibles a energías mucho más bajas (< 100 GeV) que están en el intervalo de algunos fenómenos heliosféricos sin embargo, no se tiene una determinación precisa del área efectiva a estas energías. En este trabajo proponemos un método para el cálculo del área efectiva en el intervalo de energías bajas y comparamos nuestros resultados con los métodos propuestos para altas energías en un rango intermedio (20GeV-100GeV) para ciertos detectores. En el estudio se presenta la aplicación del método usando simulaciones de CORSIKA para protones, rayos gamma, electrones y partículas alfa. Finalmente discutimos los alcances de este tipo de detectores para el estudio de algunos fenómenos solares y terrestres.

Implementación de un sistema híbrido para la detección de rayos gamma de altas energías con los IACTs compactos HAWC’s Eye y el observatorio HAWC de rayos gamma

Jan Audehm, Thomas Bretz, Omar Chaparro Amaro, Giang Do, Francisco González, Arturo Iriarte, Jesús Martínez Castro, Miguel Martínez Felipe, Frank Maslowski, Yunior Pérez, Florian Rehbein, Merlin Schaufel, Fransiska Tischbein e Ibrahim Torres. Las técnicas de detección en astrofísica de altas energías se desarrollan rápidamente, cada metodología de observación posee ventajas y desventajas intrínsecas. La idea de establecer un sistema híbrido abre las puertas a técnicas de detección más precisas y completas. En este trabajo presentamos la resolución angular y de energía de los eventos observados asociados a rayos cósmicos y rayos gammas con energías en el rango de los TeV, mediante la combinación de observaciones realizadas con una dupla de telescopios de Cherenkov atmosférico (IACTs, por Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes) compactos, llamados HAWC’s Eye, en combinación con las detecciones de un arreglo superficial, el observatorio HAWC de rayos gamma. En noviembre de 2020 se realizó una campa ̃na de observación con dicho sistema en el sitio de HAWC. Como resultado, se obtuvo un avance significativo en el desarrollo y caracterización de los IACTs HAWC’s Eye, al igual que mejores estimaciones en los umbrales de energía para el desempeño híbrido. Este sistema híbrido se propone como parte del diseño de futuros experimentos como The Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO). Este proyecto fue realizado gracias al apoyo del proyecto PAPIIT IG101320.