Las mejoras en el Observatorio Pierre Auger aumentan el análisis de rayos cósmicos
La actualización de AugerPrime mejora la detección y análisis de rayos cósmicos.
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Tabla de contenidos
El Observatorio Pierre Auger, que está en Malargüe, Mendoza, Argentina, ha estado funcionando desde 2004. Este observatorio ha contribuido mucho a nuestra comprensión sobre los Rayos Cósmicos de ultra alta energía. Recientemente, nuevos hallazgos llevaron a una actualización, llamada AugerPrime, para mejorar la capacidad de analizar los rayos cósmicos. El objetivo es recopilar información detallada sobre la masa primaria de los rayos cósmicos más energéticos durante eventos llamados lluvias de aire.
Resumen de AugerPrime
Como parte de la actualización de AugerPrime, los 1660 detectores de agua-Cherenkov que ya estaban en la red superficial recibieron mejoras. Estas actualizaciones incluyen la adición de scintiladores plásticos y antenas de radio. Esto ayudará a aumentar la sensibilidad del detector para determinar la composición de los rayos cósmicos. Además, la electrónica que procesa los datos de estos detectores ha sido actualizada. Las mejoras incluyen un cronometraje más preciso usando receptores GPS modernos, mayor frecuencia de muestreo para la recolección de datos, rango dinámico ampliado y un procesamiento de datos local más eficiente.
Este artículo describe el diseño de la nueva electrónica, los procesos de fabricación, pruebas, calibración y parámetros de rendimiento basados en datos iniciales.
Estructura del Observatorio
El Observatorio Pierre Auger cuenta con 1600 detectores de agua-Cherenkov dispuestos en una cuadrícula triangular. La cuadrícula cubre un área de 3000 kilómetros cuadrados, con detectores adicionales ubicados en un área más pequeña para enfocarse en rayos cósmicos de menor energía. También hay cuatro sitios de detectores de fluorescencia que usan telescopios para monitorear el desarrollo de los rayos cósmicos. Estos detectores trabajan juntos para medir partículas secundarias generadas cuando los rayos cósmicos interactúan con la atmósfera de la Tierra.
Ciencia Detrás de la Actualización
Durante casi dos décadas, el Observatorio Pierre Auger ha recopilado una gran cantidad de datos sobre los rayos cósmicos de ultra alta energía. Los datos sugieren un aumento en la pesadez de la composición de la masa primaria a medida que la energía de los rayos cósmicos aumenta. El observatorio también ha detectado anisotropía a gran escala en las direcciones de llegada de los rayos cósmicos más allá de ciertos umbrales de energía, lo que sugiere que estos rayos provienen de fuera de nuestra galaxia.
Para seguir con este trabajo, la Colaboración Auger decidió mejorar las capacidades del detector de superficie para analizar mejor la composición de los rayos cósmicos. El objetivo es separar las partes muónicas y electromagnéticas de las lluvias de aire, lo que ofrecerá más información sobre las fuentes y características de estos rayos cósmicos.
Componentes de AugerPrime
Los detectores de agua-Cherenkov incluyen un tanque lleno de agua ultrapura. Utilizan tubos fotomultiplicadores para detectar la luz Cherenkov, que se emite cuando partículas cargadas pasan a través del agua a altas velocidades. Cada estación de detector opera de forma independiente y está alimentada por paneles solares.
Para ampliar el rango dinámico de las mediciones de señales, se ha integrado un pequeño tubo fotomultiplicador en el diseño. Este pequeño tubo asegura que señales muy grandes puedan medirse con precisión sin saturación. Además, un detector de superficie basado en scintiladores consiste en dos paneles de scintilador que también mejoran la capacidad de medir rayos cósmicos.
Además, se instaló un detector de radio para capturar señales de radio de lluvias de aire extensas, lo que añade otra capa de información sobre los eventos de rayos cósmicos.
Actualización de la Electrónica
La nueva actualización de electrónica implica procesar señales de los detectores de scintilador y tubos fotomultiplicadores. Su objetivo es proporcionar cronometraje preciso, comunicación digital con otros detectores y mayores capacidades de procesamiento.
La actualización reemplaza el hardware más antiguo con una nueva placa unificada que se ajusta a la infraestructura existente. Esta placa integra todas las funciones necesarias para que los detectores operen de manera efectiva. Además, la actualización mantiene la compatibilidad hacia atrás con conjuntos de datos anteriores para asegurar que los datos más antiguos aún puedan ser analizados de manera efectiva.
Implementación y Funcionalidad
La electrónica actualizada está diseñada para ser eficiente y confiable. Incluye diez canales de entrada analógica para las señales de diferentes detectores y permite que los niveles de ruido se mantengan por debajo de límites especificados. Además, el nuevo sistema muestrea datos a una frecuencia de 120 megahercios para mejorar la calidad de la información recolectada.
La electrónica también cuenta con una unidad de control programable que monitorea varios parámetros del sistema y hace ajustes según sea necesario. El sistema de control puede gestionar niveles de voltaje y sensores ambientales para mantener todo el equipo funcionando de manera óptima.
Pruebas y Calibración
Para asegurar la calidad de la nueva electrónica, se han establecido procesos de prueba extensivos. Esto incluye pruebas lideradas por el fabricante para verificar que todos los componentes estén funcionando correctamente. Después de las pruebas iniciales, el equipo pasa por un screening de estrés ambiental para simular las condiciones reales de trabajo en el observatorio.
La calibración es esencial para mantener mediciones precisas de los detectores. Se utilizan diversas señales de referencia para calibrar los detectores de agua-Cherenkov y los detectores de superficie de scintilador. Los datos de los rayos cósmicos se monitorean continuamente para ajustar las calibraciones a medida que cambian las temperaturas y condiciones.
Puesta en Marcha y Rendimiento
La puesta en marcha de la actualización de AugerPrime comenzó a finales de 2020. A medida que ha avanzado la recolección de datos, se han analizado varios parámetros de rendimiento. Los niveles de ruido son consistentemente bajos en todos los detectores, cumpliendo con las especificaciones objetivo.
El análisis de datos muestra una fuerte correlación entre las señales recolectadas por diferentes tipos de detectores, lo que indica que las actualizaciones han logrado los resultados deseados para medir los rayos cósmicos.
Planes Futuros
Mirando hacia adelante, el Observatorio Pierre Auger continuará investigando los rayos cósmicos con la electrónica actualizada. La actualización de AugerPrime tiene como objetivo mejorar nuestra comprensión de estas partículas de alta energía y sus fuentes. La investigación adicional se centrará en la recolección y análisis de datos a largo plazo, mientras que se seguirán realizando mejoras en las tecnologías de los detectores.
Al mejorar la capacidad de analizar la composición de los rayos cósmicos y extender el rango dinámico de los detectores, el proyecto AugerPrime busca desbloquear nuevas ideas sobre los fenómenos más energéticos del universo. Este esfuerzo continuo subraya la importancia de las mediciones precisas para avanzar en nuestra comprensión de los rayos cósmicos y sus orígenes.
Título: AugerPrime Surface Detector Electronics
Resumen: Operating since 2004, the Pierre Auger Observatory has led to major advances in our understanding of the ultra-high-energy cosmic rays. The latest findings have revealed new insights that led to the upgrade of the Observatory, with the primary goal of obtaining information on the primary mass of the most energetic cosmic rays on a shower-by-shower basis. In the framework of the upgrade, called AugerPrime, the 1660 water-Cherenkov detectors of the surface array are equipped with plastic scintillators and radio antennas, allowing us to enhance the composition sensitivity. To accommodate new detectors and to increase experimental capabilities, the electronics is also upgraded. This includes better timing with up-to-date GPS receivers, higher sampling frequency, increased dynamic range, and more powerful local processing of the data. In this paper, the design characteristics of the new electronics and the enhanced dynamic range will be described. The manufacturing and test processes will be outlined and the test results will be discussed. The calibration of the SD detector and various performance parameters obtained from the analysis of the first commissioning data will also be presented.
Autores: The Pierre Auger Collaboration, A. Abdul Halim, P. Abreu, M. Aglietta, I. Allekotte, K. Almeida Cheminant, A. Almela, R. Aloisio, J. Alvarez-Muñiz, J. Ammerman Yebra, G. A. Anastasi, L. Anchordoqui, B. Andrada, S. Andringa, Anukriti, C. Aramo, P. R. Araújo Ferreira, E. Arnone, J. C. Arteaga Velázquez, P. Assis, G. Avila, E. Avocone, A. M. Badescu, A. Bakalova, F. Barbato, A. Bartz Mocellin, J. A. Bellido, C. Berat, M. E. Bertaina, G. Bhatta, M. Bianciotto, P. L. Biermann, V. Binet, K. Bismark, T. Bister, J. Biteau, J. Blazek, C. Bleve, J. Blümer, M. Boháčová, D. Boncioli, C. Bonifazi, L. Bonneau Arbeletche, N. Borodai, J. Brack, P. G. Brichetto Orchera, F. L. Briechle, A. Bueno, S. Buitink, M. Buscemi, A. Bwembya, M. Büsken, K. S. Caballero-Mora, S. Cabana-Freire, L. Caccianiga, R. Caruso, A. Castellina, F. Catalani, G. Cataldi, L. Cazon, M. Cerda, A. Cermenati, J. A. Chinellato, J. Chudoba, L. Chytka, R. W. Clay, A. C. Cobos Cerutti, R. Colalillo, A. Coleman, M. R. Coluccia, R. Conceição, A. Condorelli, G. Consolati, M. Conte, F. Convenga, D. Correia dos Santos, P. J. Costa, C. E. Covault, M. Cristinziani, C. S. Cruz Sanchez, S. Dasso, K. Daumiller, B. R. Dawson, R. M. de Almeida, J. de Jesús, S. J. de Jong, J. R. T. de Mello Neto, I. De Mitri, J. de Oliveira, D. de Oliveira Franco, F. de Palma, V. de Souza, B. P. de Souza de Errico, E. De Vito, A. Del Popolo, O. Deligny, N. Denner, L. Deval, A. di Matteo, M. Dobre, C. Dobrigkeit, J. C. D'Olivo, L. M. Domingues Mendes, J. C. dos Anjos, R. C. dos Anjos, J. Ebr, F. Ellwanger, M. Emam, R. Engel, I. Epicoco, M. Erdmann, A. Etchegoyen, C. Evoli, H. Falcke, J. Farmer, G. Farrar, A. C. Fauth, N. Fazzini, F. Feldbusch, F. Fenu, A. Fernandes, B. Fick, J. M. Figueira, A. Filipčič, T. Fitoussi, B. Flaggs, T. Fodran, T. Fujii, A. Fuster, C. Galea, C. Galelli, B. García, C. Gaudu, H. Gemmeke, F. Gesualdi, A. Gherghel-Lascu, P. L. Ghia, U. Giaccari, J. Glombitza, F. Gobbi, F. Gollan, G. Golup, J. P. Gongora, J. M. González, N. González, I. Goos, A. Gorgi, M. Gottowik, T. D. Grubb, F. Guarino, G. P. Guedes, E. Guido, M. Gómez Berisso, P. F. Gómez Vitale, D. Góra, S. Hahn, P. Hamal, M. R. Hampel, P. Hansen, D. Harari, V. M. Harvey, A. Haungs, T. Hebbeker, C. Hojvat, P. Horvath, M. Hrabovský, T. Huege, J. R. Hörandel, A. Insolia, P. G. Isar, P. Janecek, J. A. Johnsen, J. Jurysek, K. H. Kampert, B. Keilhauer, A. Khakurdikar, V. V. Kizakke Covilakam, H. O. Klages, M. Kleifges, F. Knapp, N. Kunka, B. L. Lago, N. Langner, M. A. Leigui de Oliveira, Y. Lema-Capeans, A. Letessier-Selvon, I. Lhenry-Yvon, L. Lopes, L. Lu, Q. Luce, J. P. Lundquist, A. Machado Payeras, M. Majercakova, D. Mandat, B. C. Manning, P. Mantsch, S. Marafico, F. M. Mariani, A. G. Mariazzi, I. C. Mariş, G. Marsella, D. Martello, S. Martinelli, M. A. Martins, O. Martínez Bravo, H. J. Mathes, J. Matthews, G. Matthiae, E. Mayotte, S. Mayotte, P. O. Mazur, G. Medina-Tanco, J. Meinert, D. Melo, A. Menshikov, C. Merx, S. Michal, M. I. Micheletti, L. Miramonti, S. Mollerach, F. Montanet, L. Morejon, C. Morello, K. Mulrey, R. Mussa, W. M. Namasaka, S. Negi, L. Nellen, K. Nguyen, G. Nicora, M. Niechciol, D. Nitz, D. Nosek, V. Novotny, L. Nožka, A. Nucita, L. A. Núñez, C. Oliveira, M. Palatka, J. Pallotta, S. Panja, G. Parente, T. Paulsen, J. Pawlowsky, M. Pech, R. Pelayo, L. A. S. Pereira, E. E. Pereira Martins, J. Perez Armand, L. Perrone, S. Petrera, C. Petrucci, T. Pierog, M. Pimenta, M. Platino, B. Pont, M. Pothast, M. Pourmohammad Shahvar, P. Privitera, M. Prouza, A. Puyleart, C. Pérez Bertolli, J. Pękala, S. Querchfeld, J. Rautenberg, D. Ravignani, J. V. Reginatto Akim, M. Reininghaus, J. Ridky, F. Riehn, M. Risse, V. Rizi, W. Rodrigues de Carvalho, E. Rodriguez, J. Rodriguez Rojo, M. J. Roncoroni, S. Rossoni, M. Roth, E. Roulet, A. C. Rovero, P. Ruehl, A. Saftoiu, M. Saharan, F. Salamida, H. Salazar, G. Salina, J. D. Sanabria Gomez, E. M. Santos, E. Santos, F. Sarazin, R. Sarmento, R. Sato, P. 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Zavrtanik, M. Zavrtanik, R. Šmída
Última actualización: 2023-10-08 00:00:00
Idioma: English
Fuente URL: https://arxiv.org/abs/2309.06235
Fuente PDF: https://arxiv.org/pdf/2309.06235
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