HAWC: The High-Altitude Water
Cherenkov Gamma-Ray Observatory

El observatorio de rayos gamma HAWC (acrónimo de High Altitude Water Cherenkov), es un laboratorio diseñado para detectar rayos gamma y rayos cósmicos con energías de TeV que cuenta con una apertura que cubre más del 15% del cielo. Con su amplio campo de visión, el observatorio está expuesto a dos terceras partes del cielo durante cada ciclo de 24 horas.

Simulación de una cascada atmosférica cayendo sobre el observatorio HAWC

HAWC se encuentra ubicado dentro del Parque Nacional Pico de Orizaba, un parque nacional Mexicano. Dentro del parque se encuentra el Citlatepetl (o Pico de Orizaba), la montaña más alta de México con 5610 metros, y Sierra Negra, un volcán de 4600 metros a 7 km al suroeste del Citlatepetl.

Vista satelital de la ubicación de HAWC

El Pico de Orizaba es un volcán durmiente; su erupción más reciente ocurrió en 1687. El observatorio HAWC se encuentra en construcción en una planicie de 200m×450m cerca del punto donde se unen las laderas de las dos montañas. Las coordenadas geográficas del sitio son aproximadamente (97.3°W, 19.0°N), y la altitud aproximada de la planicie es de 4100 metros. La latitud y longitud del sitio proveen una región de coincidencia con otros observatorios en los Estados Unidos, México y Chile. La gran altitud del sitio significa que el detector será sensible a rayos gamma con energías tan bajas como 100 GeV.

El parque nacional tiene un medio ambiente delicado. El Pico de Orizaba puede presumir de albergar una de las poblaciones de arboles a mayor altura del mundo con 4100 metros, y el bosque y sus laderas afectan la formación de nubes y precipitación en las áreas pobladas al sur y al oeste. El observatorio HAWC fue construido tomando en cuenta este delicado medio ambiente. Antes de iniciar la construcción del observatorio el sitio esta cubierto únicamente por zacate. Sin embargo, el terreno fue preparado para permitir la instalación de los detectores de agua Cherenkov, los trailers con electrónica y edificios de operación. Cuando el experimento haya concluido sus operaciones, todas las estructuras será removidas y el sitio regresará a su estado natural.

Observatorio HAWC

Flora en sitio, fotografiada por un colaborador de HAWC (2011)

LA TÉCNICA DE AGUA CHERENKOV

Tanque de acero para agua Cherenkov usado en HAWC

El diseño de HAWC se basa en la experiencia lograda con el detector Milagro. Milagro fue el primer detector de cascadas de rayos gamma uniformemente instrumentado que usaba la técnica de agua Cherenkov. Con este método, un cuerpo artificial de agua es usado para muestrear a las partículas cargadas producidas en una cascada atmosférica producida por rayos gamma con energías de TeV. Conforme las partículas cargadas pasan a través del agua, estas emiten radiación Cherenkov que puede ser detectada por fotomultiplicadores. Con estas mediciones se pueden reconstruir las propiedades de los rayos gamma iniciales.

El detector Milagro fue construido alrededor de un tanque geotérmico poco profundo cerca del laboratorio nacional de Los Alamos en Nuevo México. El diseño de HAWC usa tanques de acero densamente distribuidos para observar a las partículas de las cascadas atmosféricas.

Vista interior del observatorio Milagro

Cada tanque tiene cuatro fotomultiplicadores, y el detector completo tiene 300 tanques en total. Este diseño tiene varias mejoras respecto a Milagro y hace que HAWC sea 15 veces más sensible que su predecesor aún que utiliza fotomultiplicadores de Milagro y usa electrónica similar.

Ejemplo de un detector del observatorio HAWC, el cual contiene tubos fotomultiplicadores (PMTs)

OTROS INSTRUMENTOS EN EL SITIO

Debido a la gran altitud y la relativa facilidad de acceso al sitio desde las ciudades cercanas de Puebla y Ciudad Serdán, otros instrumentos científicos están instalados en el parque. El telescopio atmosférico de Cherenkov y por mucho el mayor es el Gran Telescopio Milimétrico, una antena de 50 metros ubicada en la cima del volcán Sierra Negra. HAWC se ha beneficiado de la presencia del telescopio, debido a que los caminos de acceso, líneas de transmisión y de comunicación fueron instaladas en la montaña durante la construcción del Gran Telescopio Milimétrico.

Telescopio atmosférico de cherenkov

Gran Telescopio Milimétrico

DISEÑO DEL OBSERVATORIO HAWC

El observatorio HAWC usa detectores de agua Cherenkov (o simplemente tanques) para observar a las partículas de cascadas atmosféricas. El observatorio consiste de 300 tanques en total, cada uno con tres PMTs periféricos y uno central. Por tanto el observatorio tiene 1200 PMTs en total. El aislamiento óptico de los PMTs entre los tanques permite reducir el ruido en el detector. Esto es un factor importante a gran altitud, donde el flujo de rayos cósmicos de baja energía es bastante grande.

Posiciones relativas de los 300 tanques que forman al observatorio HAWC (círculos azules). Las posiciones de los tanques del arreglo de pruebas VAMOS también se muestran (círculos verdes).

El diseño del observatorio HAWC y el lugar de pruebas de siete tanques llamado VAMOS se muestran en la figura de arriba. El agujero en el centro de HAWC es donde se encuentra localizado el edificio central de electrónica. Los cables con las señales van del edificio central a los tanques a través del canal que va de oeste a este a lo largo del observatorio (este canal ha sido apodado la "Decima Avenida", debido a que se encuentra entre la décima y onceava fila de tanques cuando se cuenta desde abajo).

La superficie sobre la que se encuentra HAWC fue nivelada por medio de una excavadora Bobcat para asegurar que el detector se encuentra relativamente nivelado. Una vez que las observaciones de HAWC hayan sido completadas (aproximadamente 10 años después de su puesta en marcha) el sitio será regresado a su estado natural antes de la construcción.

DISEÑO DE LOS TANQUES

Ensamblaje de un tanque de acero para agua en el sitio

Para registrar el paso de las partículas creadas en cascadas atmosféricas producidas por rayos cósmicos y rayos gamma, el detector HAWC usa el método de agua Cherenkov. Con esta técnica, el detector es usado para muestrear las partículas de la cascada atmosférica al nivel de la superficie de la Tierra por medio de detectar la luz de Cherenkov producida cuando las partículas pasan a través de los tanques llenos con agua purificada.

Los detectores de agua Cherenkov de HAWC están hechos de tanques de láminas de acero corrugado con una altura de 4 metros y con un diámetro de 7.3 metros. Cada tanque tiene por dentro una bolsa que contiene el agua y cuatro tubos fotomultiplicadores (PMTs) que son sensibles a las longitudes de onda en el rango ultravioleta. Tres de los cuatro fotomultiplicadores son PMTs hemisféricos de 8 pulgadas de la marca Hamamatsu PMTs usados previamente en el experimento Milagro. Estos tres PMTs son colocados en el fondo del tanque viendo hacia arriba y son colocados varios metros lejos del centro del tanque. El cuarto PMT, localizado en el centro del tanque, es un PMT con alta eficiencia cuántica de 10 pulgadas, diseñado para incrementar la eficiencia del observatorio a cascadas de baja energía (<1 TeV) y también observa hacia arriba.

DETECTANDO PARTÍCULAS

Simulación del paso de una partícula cargada a través de un tanque (línea roja) y la emisión de luz de Cherenkov (líneas verdes). También se muestra la disposición de los PMTs dentro del tanque

La figura muestra una simulación de una cascada de un muón individual pasando a través de uno de los tanques. El código para la propagación de partículas GEANT4 fue usado para producir los fotones de Cherenkov producidos por el muón y sus trayectorias a través del agua dentro del tanque.

La producción de luz Cherenkov es extremadamente eficiente dentro del agua debido a su alto índice de refracción. La luz de Cherenkov se emite en un cono frontal que rodea la dirección de movimiento de la partícula cargada. El ángulo de apertura del cono depende del índice de refracción del medio. Por ejemplo, en aire, donde el índice de refracción es naire = 1.0003, el ángulo de apertura de la radiación Cherenkov es de alrededor de 1°. En agua, donde nagua = 1.33, el ángulo de apertura de la radiación Cherenkov es de 41°. Debido a que el cono de Cherenkov en el agua es tan grande, casi todas las partículas cargadas que entran en el tanque deben de ser observadas por lo menos por uno de los cuatro PMTs.

Debe notarse que los tanques de agua Cherenkov pueden usarse para detectar partículas cargadas y rayos gamma dentro de la cascada. El agua es densa (comparada con el aire) y por tanto un rayo gamma producirá un par e+e- (electrón/positrón) una vez que entre en el tanque. Estas partículas cargadas emitirán entonces radiación de Cherenkov en su paso por el agua.

LA SENSIBILIDAD DEL OBSERVATORIO HAWC

El observatorio HAWC es un instrumento de segunda generación que se basa en la técnica de agua Cherenkov, cuyas bases fueron sentadas por el observatorio Milagro. En base a la experiencia de operar a Milagro, el diseño de HAWC tiene mejor desempeño que el que tuvo Milagro en varias áreas críticas:

Separación gamma / hadrón
Resolución angular
Resolución en energía

Separación gamma / hadrón

Poder de discriminación de rayos cósmicos con el observatorio HAWC, se muestra una comparación con el observatorio Milagro

Para poder ser capaces de observar rayos gamma con alta sensibilidad, los datos obtenidos por HAWC deben ser filtrados de eventos debidos a rayos cósmicos. Los rayos cósmicos pueden ser discriminados de los rayos gamma al observar el patrón de PMTs con señales en el detector (es decir, el "perfil" de la cascada atmosférica). Las cascadas de rayos gamma tiende a tener un perfil que disminuye radialmente desde el centro de la cascada, en contraste con los perfiles de las cascadas iniciadas por rayos cósmicos que son relativamente más aleatorias y presentarán grumos en el patrón de PMTs con señales.

Usando simulaciones de cascadas producidas por rayos gamma y rayos cósmicos, hemos estimado nuestra habilidad para rechazar cascadas iniciadas por rayos cósmicos en los datos de HAWC. En base a los patrones de PMTs con señales que se observan en las simulaciones, encontramos que podemos rechazar >99% de las cascadas de rayos cósmicos con energías ligeramente superiores a 3 TeV usando una selección en el perfil de las cascadas. No es una sorpresa que el desempeño de la discriminación mejore con la energía conforme más y más información (PMTs con señales) está presente en los datos con mayores energías. El poder remover las cascadas debidas a rayos cósmicos es una mejora substancial respecto a Milagro, donde el 10% de las cascadas de rayos cósmicos podían sobrevivir en los datos a pesar de los criterios de discriminación a 50 TeV.

Resolución angular

Resolución angular de HAWC (con la etiqueta PSF68%) comparada con la de Milagro

Casi tan importante como la separación gamma/hadrón es la resolución angular del detector. La resolución angular se define como la incertidumbre típica hecha al reconstruir la dirección de llegada de una cascada atmosférica. Todos los detectores tienen una resolución angular finita, que tiene como efecto el que las características de las fuentes no se puedan conocer con precisión infinita.

Lo que se desea es mantener a la resolución angular tan pequeña como sea posible. Como es de esperarse la ventaja es que de este modo es posible observar estructuras pequeñas; además la resolución también afecta la sensibilidad del detector a fuentes puntuales. Esto se debe a que las fuentes puntuales que se observan con cualquier experimento contendrán una mezcla de "señal" (eventos de la fuente) y "fondo" (eventos que no son de la fuente). Conforme la resolución angular disminuye, el cociente entre el fondo y la señal disminuirá. Esencialmente la señal permanecerá constante, por que se trata de una fuente puntual, mientras que el fondo disminuirá.

Como se muestra en la figura de arriba, la resolución angular de HAWC es de alrededor de 0.1° para energías >10 TeV. La resolución mejora con la energía por que el número de tanques con señal incrementa con la energía, por tanto incrementando la cantidad de información que esta disponible para reconstruir la trayectoria. El lograr esta resolución representa una gran mejora con respecto al observatorio Milagro, en cuyo caso la mejor resolución angular era de alrededor de 0.5°. Esto también significa que la resolución de HAWC es similar a la que se tiene en los muy sensibles Telescopios de Imagen en Aire Cherenkov (IACTs por sus siglas en inglés) a las más altas energías.

Resolución en energía

Resolución en energía de HAWC comparada con la de Milagro

La resolución en energía de HAWC se refiere a la incertidumbre típica al estimar la energía de la partícula primaria que inició la cascada atmosférica. Una resolución en energía pequeña es una ventaja por que permite el tener un espectro de energía de las fuentes observadas sin sesgos. Si la resolución en energía de un detector es pobre, es posible obtener el espectro de energía de una fuente. Sin embargo, esto requiere una cuidadosa separación de la respuesta del detector del espectro físico de la fuente, y este tipo de procedimiento es propenso a errores sistemáticos.

La resolución en energía de HAWC se ha calculado en base a eventos simulados. Arriba de 10 TeV la resolución en energía es inferior al 50% de la energía real, es decir que la energía de las partículas observadas arriba de este límite permitirán reconstruir la energía dentro del 50% de la energía verdadera. Este es una gran mejora respecto a la resolución en energía de Milagro, la cual era >100% para casi todo el rango de energías.