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.