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IceTop es un detector de rayos cósmicos. Es una matriz de instrumentos que observa las cascadas atmosférica de partículas secundarias creadas por los rayos cósmicos cuando interactúan con la atmosfera terrestre. Estos datos nos permiten estudiar la composición de los rayos cósmicos, la distribución de la dirección de su llegada, y el espectro de alta energía de los rayos cósmicos.
Los rayos cósmicos incluyen partículas como los electrones, protones, y núcleos más pesados. Aún no se conocen de donde provienen, pero creemos que vienen de fuentes galácticas y extragalácticas. El espectro de energía de los rayos cósmicos, que es como cambia la tasa de rayos cósmicos con el aumento de la energía, ha sido medido por varios detectores, incluyendo IceTop. Se cree que las fuentes extragalácticas son mas abundantes a medida que aumenta la energía, y que son las únicas fuentes responsables de los rayos cósmicos de muy alta energía.
Mediciones precisas del espectro de los rayos cósmicos nos pueden ayudar a aprender más acerca de la transición entre fuentes galácticas y extragalácticas y, por lo tanto, acerca de las propiedades de las fuentes de los rayos cósmicos.
IceTop detecta rayos cósmicos con energía entre unos 100 TeV y 1 EeV, que resulta ser la región de transición de rayos cósmicos galácticos a extragalácticos.
Sin embargo, la tasa de rayos cósmicos medida por IceTop no se puede comparar directamente con la tasa medida por otros experimentos. ¿Puedes pensar en qué cantidad podría ser usada para comparar los resultados de diferentes detectores?
Pista: La cantidad de sucesos de rayos cósmicos observada por un detector depende de su geometría y del lugar donde se encuentra.
Los físicos usan el flujo de rayos cósmicos, es decir, el ritmo con el que estos llegan a cierta área de la Tierra y con cierto ángulo, para comparar las mediciones de diferentes detectores.
¿Qué mide IceTop?
Veamos qué puede ver y medir IceTop.
Estas son las simulaciones de dos cascadas de rayos cósmicos.
Fuente: https://web.iap.kit.edu/corsika/movies/Movies.htm
En ambos casos, se trata de un protón de 100 TeV. En la izquierda, se trata de una cascada vertical. A la derecha, el eje de la cascada es de 30 grados respecto la vertical.
Como puedes ver en las animaciones, para cada cascada pueden haber un millón o más de partículas que impacten en el suelo. IceTop solo detecta unas pocas.
¿Puedes identificar algunas propiedades de la cascada que te permitan caracterizarla?
Ahora mira a este rayo cósmico en IceTop.
Varias de las estacione en IceTop se encienden en cada suceso. Cada una registra el paso de una o más partículas de la cascada inducida por el rayo cósmico. Los colores rojizos muestran las primeras estaciones en detectar partículas, mientras que los verdes/amarillos son detecciones posteriores. El tamaño de los círculos coloreados escala con la energía medida en esa estación.
¿Podemos saber cuál es la dirección del rayo cósmico inicial mirando este patrón de luz en IceTop? ¿Y podemos localizar el núcleo de la cascada?
Recuerda: IceTop detecta electrones, fotones, muones y hadrones cargados en la cascada gracias a la luz azul, llamada luz de Cherenkov, que estas partículas emiten al cruzar el detector. Mira este cono de luz en un reactor nuclear aquí.
¿Podemos saber cuál es la energía del rayo cósmico incidente a partir de la medición de la energía en la matriz de IceTop?
Pista: Los físicos vienen estudiando los rayos cósmicos desde hace mucho tiempo. Sabemos como simular estos sucesos y qué señal esperamos ver en IceTop. Hemos aprendido, por ejemplo, que la cascada escala con la energía, es decir, que es un buen “proxy” de la energía del rayo cósmico original.
Mira algunos sucesos en IceTop aquí. Algunos son sucesos reales y otros son solo simulaciones. ¿Puedes adivinar cuál es cual? Como verás, los sucesos reales y los simulados son indistinguibles.
Veamos de nuevo algunos sucesos, pero esta vez trataremos de medir la cascada. Usando diferentes visualizaciones, localizaremos el núcleo de la cascada (visualización derecha) y lo ajustaremos a su distribución lateral (visualización izquierda). Puedes también cambiar la dirección de la cascada moviendo los ángulos cénit y azimut. Guarda los resultados una vez lo hayas hecho para toda la muestra.
Pista: Acuérdate que el frente de la cascada tiene que ser plano. La línea suspensiva en la parte superior derecha es la proyección del frente de la cascada, i.e. es perpendicular al eje de la cascada.
Calibración de la energía y espectro de la energía del flujo de rayos cósmicos
Usando tus resultados, vamos a calibrar nuestro detector. Para hacerlo, usa los sucesos simulados en tu tabla de resultados (esto son los que conoces su energía, i.e. E>0).
Pista: Cada suceso, sean datos o simulación, tiene un peso en tu tabla de resultados. Tu muestra a sido pre-filtrada. IceTop ve miles de rayos cósmicos cada día y no hay tiempo para mirar cada uno de ellos. Los sucesos que has estado explorando son representates de la tasa para cada rango de energías. El peso muestra cuantos sucesos fueron encontrados en este rango de energías en el total de los datos/las simulaciones, i.e. en un año de datos en IceCube. La dependencia entre la tasa y la energía es una ley de potencia simple. Usa escalas logarítmicas para obtener una curva de calibración simple.
Ahora puedes usar esta curva de calibración para estimar la energía de los sucesos reales y así obtener el espectro de energía del flujo de rayos cósmicos con IceTop.
Pista: Recuerda que necesitas normalizar la tasa con la exposición de nuestro detector. Si usas todos los sucesos en cada una de las muestras/colores, la exposición es 1/6 día de datos de IceTop = 8.186 109 m2 sr s. Y no te olvides dividir por el intervalo de energía de cada clase.
Si quieres comparar los resultados con los publicados por la Colaboración IceCube, conseguirás un mayor acuerdo si usas las seis muestras proporcionadas en este análisis.
¡Felicidades!. Has reproducido una investigación de la Colaboración IceCube, publicada en Physical Review D en Agosto de 2013. Puedes leer el artículo aquí.
Más información:
Lee la noticia sobre este análisis en la web de IceCube.
