A joint Fermilab/SLAC publication
Snow capped peak; cosmic particles pepper Earth; bluish light
Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Pedro Rivas

Cómo llegó HAWC a México

10/17/19

Una fuerte tradición regional de astrofísica y física de altas energías, más las aspiraciones de una joven investigadora, trajeron el Observatorio de Rayos Gamma HAWC (High-Altitude Water Cherenkov) a México.

En lo alto de una meseta entre el Pico de Orizaba —la cima nevada más alta de México— y Sierra Negra —un volcán extinto al suroeste del pico—, un trabajador se tomó un momento para recuperar el aliento. 

Él y su equipo de 40 personas armaban lo que eventualmente se convertiría en una colección de 300 tanques de acero para el Observatorio de Rayos Gamma High-Altitude Water Cherenkov, o HAWC.

Una vez completado, cada uno de los enormes tanques sería un poco más alto que una casa de un solo piso, y mediría unos 10 pasos de ancho. En conjunto, tendrían suficiente agua purificada para llenar al menos 20 albercas olímpicas. 

El arreglo se construyó a más de 4000 metros (unos 13,500 pies) sobre el nivel del mar, una altitud ideal para detectar las partículas cósmicas que salpican la Tierra desde el espacio. El objetivo principal del HAWC es reunir pistas sobre el lugar de nacimiento de estas partículas de alta energía.

A pesar de que los niveles de oxígeno son bajos a esa altitud, era incluso más fácil construir los detectores del HAWC en el sitio, que llevarlos a la montaña completamente ensamblados.

Entre 2010 y 2014, los trabajadores equiparon los tanques del HAWC con un total de 1200 fototubos de vacío. Los fototubos detectarían la radiación de Cherenkov, un destello azulado emitido cuando las partículas cargadas rebasan a la luz que viaja dentro de un medio líquido, como el agua en los tanques. El arreglo del HAWC registra la amplitud y el tiempo de estas partículas las 24 horas del día, mapeando la actividad de dos tercios del cielo.

Hoy en día 30 instituciones de todo México, Estados Unidos y Europa colaboran en HAWC. Y todo comenzó con una presentación en una conferencia que despertó la curiosidad de una estudiante mexicana que estaba haciendo un doctorado en la Universidad de Wisconsin-Madison.

Collaboration between Mexico, United States of America and Europe on HAWC
Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Pedro Rivas

Colaboración de gran altitud

En el año 2000, Magdalena González estaba en el cuarto semestre del doctorado en Física Teórica, y su vida académica era miserable. “Mi vida como teórica era muy seria y solitaria”, dice ella. “Había semanas en las que no hablaba con nadie”.

Pero luego asistió a una charla de la física Brenda Dingus del Laboratorio Nacional Los Álamos, del Departamento de Energía de los Estados Unidos. El tema era nuevo para ella: investigación experimental en rayos gamma. “Explotó mi cabeza”, dice González. “Quiero investigar exactamente eso, pensé”.

Se acercó a Dingus para preguntarle cómo podría involucrarse. Dingus la aceptó como estudiante de posgrado, y pasó a hacer análisis satelitales, y luego trabajó en el Observatorio de Rayos Gamma MILAGRO en Los Álamos, Nuevo México, para su tesis.

En 2005, la recién graduada González asumió un puesto postdoctoral en la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Dingus y el resto del equipo del observatorio MILAGRO estaban trabajando en su próximo paso. Habían alcanzado los límites de su tecnología actual y necesitaban detectores más grandes instalados en una mejor ubicación.

González tuvo el sueño de que en México se construyera el arreglo de detectores de última generación. 

Los científicos también estaban considerando ubicaciones en el Tíbet y Bolivia, y ella sabía que tendría que reunir un equipo de ensueño para convencerlos. Afortunadamente, ese equipo se pudo encontrar en México y América del Sur.

González y Dingus se comunicaron con Alberto Carramiñana, quien participó en la construcción y desarrollo del Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM) en el Pico de Orizaba. “Al instante supe que era una oportunidad única en la vida”, dice Carramiñana.

Recibieron el apoyo de Arturo Menchaca y Andrés Sandoval, dos especialistas en instrumentación para física de altas energías de la UNAM. También sumaron al físico Arnulfo Zepeda, quien había codirigido el montaje de los tanques Cherenkov en el Observatorio de Rayos Cósmicos Pierre Auger en Argentina.

En 2006, Carramiñana y compañía realizaron un estudio que confirmó la viabilidad de construir HAWC en México. Un año después, el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) y la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos firmaron un acuerdo que autorizaba oficialmente la instalación del HAWC dentro del parque nacional.

Los trabajadores de las comunidades vecinas de Atzitzintla y Texmalaquilla comenzaron la construcción en 2010. Transportaron un total de 55 millones de litros de agua con camiones desde una planta de filtración en Esperanza, un municipio cercano a la ladera de la montaña.

Una vez que completaron el trabajo, instalando un arreglo de detectores que ocupaban cuatro veces el área de un campo de fútbol americano, dejaron los detectores prácticamente solos.

Todos los días HAWC genera alrededor de 2 terabytes de datos, almacenados en discos duros que se transportan al Instituto de Ciencias Nucleares en el campus central de la UNAM. Luego, los datos se transmiten a la Universidad de Maryland, que los proporciona a los colaboradores en línea. Unos pocos técnicos que viven en Atzitzintla se encargan de tratar problemas en el sitio.

Dingus ahora se desempeña como gerente de operaciones del HAWC, y González administra las operaciones del HAWC en nombre de México.

Sara Coutiño stepping on the mountain glade, 100 Cherenkov detectors came into view.
Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Pedro Rivas

Ciencia más allá de las fronteras

En 2013, la estudiante doctoral del INAOE, Sara Coutiño, visitó Sierra Negra por primera vez. Bajó de la camioneta luego de un viaje accidentado de media hora por el camino sinuoso de montaña. El último tramo cuesta arriba era difícil de hacer a pie, y el aire se estaba volviendo más frío y más enrarecido. Tan pronto como pisó el claro de la montaña, se hicieron visibles 100 detectores Cherenkov. 

“Visitar el HAWC por primera vez fue asombroso”, dice Coutiño.

El paisaje es imponente, y las filas y filas de detectores son un espectáculo increíble, dice ella, pero estaba más impresionada por el trabajo realizado detrás de escena o, mejor dicho, en la montaña, por los 100 colaboradores del HAWC, que se coordinan entre países e instituciones. “Todavía me sorprende cómo todas estas personas trabajan juntas para que siga funcionando”.

Coutiño originalmente planeaba hacer su doctorado en el extranjero. Mientras crecía en los años ochenta y noventa, una parte considerable de la física experimental mexicana se realizaba con infraestructura de vanguardia ubicada fuera del país, en instituciones como el Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) en los Estados Unidos, y el CERN en Europa.

Pero una vez que vio el arreglo de detectores, Coutiño dice, se dio cuenta de que ya tenía todo lo que necesitaba en México. Ahora está investigando a Markarian 501 y a Markarian 421, que son dos galaxias blázares con diferencias inexplicables en su distribución de energía.

Hoy en día los proyectos que se realizan en HAWC y en GTM son visitados por estudiantes de Rusia, India, China y otras naciones. “Desde el comienzo de mi formación científica, ha sido vital comunicarme y cooperar con colegas que viven en otros países”, dice Zepeda, investigador principal del departamento de física del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (CINVESTAV) de la Ciudad de México. “Entre más conectado está uno, más expande sus horizontes”.

Inspirada por HAWC, en 2014 Coutiño comenzó a coorganizar la Reunión Anual de Estudiantes de Astronomía, un evento independiente en el que jóvenes investigadores de México y otros países comparten sus investigaciones. Los resultados del HAWC se han presentado allí desde 2015.

HAWC being connected to IceCube, Fermi Gamma-ray Space Telescope, and LIGO
Illustration by Sandbox Studio, Chicago with Pedro Rivas

Ojos en el futuro

El éxito de HAWC ha motivado la concepción de proyectos aun más grandes en América Latina. Una alianza de científicos latinoamericanos, estadounidenses y europeos está planeando un arreglo aún más poderoso llamado Observatorio de Rayos Gamma de Gran Campo Visual en el Hemisferio Sur, (Southern Gamma Ray Survey Observatory, SGSO), que se ubicará potencialmente en Argentina, Perú o Chile.

“Ser parte de un conjunto mundial de detectores es donde está nuestro futuro”, dice Jordan Goodman, investigador principal del HAWC de la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos. “El siguiente paso para nosotros sería colaborar con América del Sur. Tener un observatorio más al sur sería ideal para observar el centro galáctico”.

Se espera que el Observatorio de Rayos Cósmicos de Elevada Altitud (Large High Altitude Air Shower Observatory, LHAASO), cuyo arreglo de 900 detectores de agua Cherenkov comenzará a operar totalmente en el suroeste de China en 2021, participe en esta red futura. Dado que HAWC y el LHAASO tienen latitudes similares, pero diferentes longitudes geográficas, los científicos esperan usarlos para monitorear diferentes aspectos de un solo objeto astronómico.

En la era de la astronomía de ‘múltiples mensajeros’, los científicos de todo el mundo están más conectados, dice Goodman. Los científicos que estudian neutrinos de altas energías desde el espacio en el arreglo IceCube, en la Antártida, están comparando notas con científicos que estudian señales desde fuera de nuestra galaxia con el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, y con científicos que estudian ondas gravitacionales en el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser, para ver lo que pueden aprender al observar múltiples aspectos de los mismos sucesos astronómicos.

“¿Qué viene después de HAWC para nuestros estudiantes?” pregunta González. “Estamos trabajando en un plan para cosechar lo que sembramos”.