RAYOS CÓSMICOS Y CAMBIOS ATMOSFÉRICOS: UN ESTUDIO DEL CONICET DESDE LA ANTÁRTIDA ABRE NUEVAS CLAVES

Especialistas del CONICET en el Instituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE, CONICET -UBA), en colaboración con el Instituto Antártico Argentino (IAA) y el Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos (DCAO-FCEN, UBA) demostraron que un detector de rayos cósmicos llamado Neurus (construido en los laboratorios espaciales del IAFE) e instalado en la Base Antártica Conjunta Marambio puede usarse no solo para estudiar el espacio sino también como una herramienta para monitorear la atmósfera terrestre. El trabajo fue publicado en Earth and Space Science, una de las revistas de mayor relevancia de la American Geophysical Union (AGU).

Los rayos cósmicos son partículas subatómicas que viajan a través del espacio a velocidades cercanas a la de la luz en el vacío. Este flujo de partículas está compuesto principalmente por protones y núcleos atómicos que todo el tiempo impactan contra la atmósfera terrestre. Al chocar con los gases atmosféricos, estas partículas desencadenan una cascada o “lluvia” de partículas secundarias. Son estas partículas resultantes las que finalmente alcanzan el suelo, permitiendo estudiarlas mediante detectores especializados en la superficie.

“En este estudio, utilizamos un detector en la Antártida para medir los rayos cósmicos e investigar su relación con los cambios atmosféricos. Observamos una fuerte correlación entre los niveles de rayos cósmicos y la presión atmosférica a unos 15 km de altitud. A partir de esto, desarrollamos un modelo para estimar esta variable utilizando datos a nivel del suelo. Este enfoque ofrece un método potencialmente práctico y rentable para monitorear la baja estratosfera en la Antártida, una región de particular interés debido a su comportamiento único y dinámico, que desempeña un papel fundamental en los procesos atmosféricos globales”, señala Sergio Dasso, doctor en Ciencias Físicas, uno de los autores del estudio e investigador del CONICET en el IAFE y profesor en el Departamento Ciencias de la Atmósfera y los Océanos (DCAO-FCEyN-UBA).

Detector Neurus

Cuando una partícula con carga eléctrica atraviesa el agua a una velocidad superior a la de la luz en ese medio, produce un destello azulado conocido como radiación Cherenkov. El detector Neurus aprovecha este efecto para registrar el paso de los rayos cósmicos secundarios. “El dispositivo consiste principalmente en un tanque de agua ultrapura equipado con un sensor de alta sensibilidad (fotomultiplicador) capaz de detectar y amplificar estos pulsos de luz extremadamente tenues. Dado que estas señales duran apenas unas decenas de nanosegundos, el sistema electrónico de adquisición de datos es de frontera, permitiendo medir con precisión cuántas partículas llegan y cuánta energía deposita cada una, capturando algo así como la ‘huella digital’ de la partícula observada”, explica Noelia Santos, primera autora del estudio, licenciada en Ciencias Físicas y doctora en Ciencias de la Atmósfera de la UBA (ex-becaria doctoral de CONICET bajo la dirección de Dasso en el Departamento Ciencias de la Atmósfera y los Océanos (DCAO, FCEyN,UBA).

Actualmente, Neurus registra unas 600 mil partículas por hora. “Debido a este gran volumen de información y a las limitaciones de conectividad, los datos se almacenan localmente en la Antártida y solo se transmite una síntesis procesada al continente en tiempo real”, indica Dasso.

Nodos antárticos: Marambio y San Martín

Desde hace dos años, el proyecto cuenta con un segundo nodo operativo en la Base San Martín. “Aunque el análisis de estos datos está en curso, los resultados preliminares son muy prometedores. La comparación del flujo de partículas entre ambos observatorios (separados por aproximadamente 700 km) nos permitirá realizar validaciones y estudios de correlación espacial para entender mejor la dinámica de la radiación en diferentes puntos de la península antártica”, explica Dasso.

Durante las primeras campañas antárticas, para instalar y hacer actualizaciones significativas de ambos nodos antárticos (Marambio y San Martín), además de los ya mencionados Dasso y Santos, participaron los CPA del Consejo Matías Pereira, Lucas Rubinstein, Omar Areso y el becario doctoral Javier Arellana (todos del IAFE), así como la investigadora del CONICET en el Instituto Antártico Argentino (IAA) Adriana Gulisano. Fueron muchas campañas de verano llevadas a cabo a lo largo de varios años.

Neurus es un nodo antártico de la colaboración internacional LAGO (Latin American Giant Observatory), una red de detección que se extiende desde México hasta la Antártida, un proyecto que derivó del Observatorio Pierre Auger, que se localiza en Malargüe, Mendoza. El proyecto Antártico Neurus es liderado por el Instituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE, UBA-CONICET), en colaboración con el Instituto Antártico Argentino (IAA) y el Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos (DCAO-FCEN, UBA).

El proyecto Neurus actual requirió una coordinación compleja que abarcó varias etapas críticas. Una fue de Desarrollo Tecnológico: El detector fue construido íntegramente en los laboratorios espaciales del IAFE, mejorando diseños previos de este tipo de detectores. Se realizaron estudios atmosféricos específicos en colaboración con el DCAO para entender el entorno del sitio.

“Respecto de la Logística Antártica se articuló con el IAA para el despliegue de las campañas, la adecuación edilicia, la instalación del laboratorio en el continente blanco y la presencia permanente de personal de mantenimiento en las bases”, afirma Dasso.

La Infraestructura de Precisión fue otro de los pilares. El sistema cuenta con tecnología de frontera, como el estampado de tiempo para cada partícula con resolución de 10 nanosegundos, gracias a la sincronización por GPS y por electrónica basada en FPGA, o el sistema de telemetría para la transmisión de datos hacia nuestros servidores en el IAFE que logra disponer en nuestros servidores del IAFE en forma casi instantánea los datos que se miden en Antártida.

“Este desarrollo es pionero y original, ya que no existen otros observatorios de estas características operando actualmente en suelo antártico. Los resultados que encontramos consolidan una perspectiva innovadora: el uso de los rayos cósmicos como sensores ambientales de precisión, abriendo nuevas vías para monitorear y entender mejor componentes antárticas de la circulación global y los desafíos que plantea la evolución del clima desde la física de frontera”, afirma Santos.

Por su parte Dasso concluye: “Este trabajo es la culminación de un camino institucional que comenzó hace más de 15 años, cuando nuestro grupo en el IAFE impulsó la instalación de detectores de rayos cósmicos en bases antárticas argentinas”.