Qué buscaba
El Bolivian Air Shower Joint Experiment nació con tres objetivos, formulados con precisión desde el principio:
- Buscar chubascos generados por rayos gamma primarios de energías superiores a 10¹⁴ eV.
- Buscar evidencias de rayos cósmicos primarios de alto número atómico.
- Estudiar las interacciones nucleares de superalta energía, por encima de 10¹⁴ eV.
El primero de esos tres objetivos es, visto desde hoy, el acta de nacimiento de una disciplina: la astronomía de rayos gamma de muy alta energía. En 1960 nadie sabía si existía algo que observar.
Cómo funcionaba
Un chubasco atmosférico extenso es la cascada de partículas que produce un solo rayo cósmico al chocar contra la atmósfera. Detectores repartidos por la montaña registran la lluvia de partículas que llega al suelo, y de las diferencias de tiempo de llegada entre ellos se deduce la dirección del primario.
La clave de BASJE, y lo que lo distinguía, estaba enterrada: un detector de muones blindado bajo galena —mineral de plomo donado por el Estado boliviano por decreto de enero de 1962— y hormigón: unos 320 g/cm², que sólo atraviesan los muones de más de 500 MeV. Los chubascos producidos por rayos gamma tienen pocos muones; los producidos por rayos cósmicos cargados, que son inmensamente más abundantes, tienen muchos. El blindaje deja pasar sólo los muones, y así el instrumento distingue lo raro de lo común.
Es el mismo principio que sesenta años después usa ALPACA, con detectores subterráneos en lugar de plomo.
Por qué aquí
Un chubasco alcanza su máximo desarrollo a cierta altura de la atmósfera. Medido desde el nivel del mar ya se ha extinguido. Los 5.200 metros de Chacaltaya no eran una ventaja del emplazamiento: eran su condición.
Quiénes lo construyeron
Aguirre reproduce una fotografía con un pie escueto: «Las tres figuras del BASJE: Ismael Escobar, Bruno Rossi y Koichi Suga.» Y sobre Suga escribe algo que conviene recoger tal cual:
Koichi Suga fue el alma de BASJE durante treinta años. Su amplio conocimiento del tema y su enorme capacidad de trabajo fueron factores fundamentales en el éxito científico de este proyecto cooperativo. Su muerte en Tokio ocurrió mientras analizaba los datos de Chacaltaya.
Carlos Aguirre Bastos, Medio siglo de ciencia en Bolivia (1996)
Desde comienzos de los setenta, BASJE fue estrictamente un proyecto cooperativo entre Bolivia y Japón. Y siguió midiendo cuarenta años más.
Ficha técnica
- Detector de muones
- 60 m²: quince módulos de cuatro metros cuadrados cada uno, bajo galena y hormigón de unos 320 g/cm² (165 g/cm² de galena más 2 cm de plomo) sobre estructura de hormigón armado.
- Origen del plomo
- Donación del Estado boliviano. decreto supremo de enero de 1962 (número por fijar) del gobierno de Víctor Paz Estenssoro: el Banco Minero entregó el material con cargo a futuras regalías por exportaciones de concentrados de estaño. ⚠
- Arreglo de superficie
- Detectores de densidad de electrones instalados a comienzos de 1961 en puntos seleccionados de la montaña. Un grupo de cinco medía las diferencias de tiempo de llegada, para obtener el ángulo de arribo del primario.
- Logística
- Más de 60 toneladas de equipo llegadas desde Japón y Estados Unidos por los puertos de Arica y Mollendo.
- Condición ambiental crítica
- Proteger los detectores de una oscilación térmica que en Chacaltaya alcanza 20 grados en un solo día, sobre una temperatura media de 5 grados.
- Instrumentos asociados
- Cámara de niebla de 60 pulgadas (Michigan) · detectores de radiación Cherenkov · cámaras de chispas para la estructura fina de los núcleos de las cascadas · detección de pulsos de radio emitidos por los chubascos.
- Rango de energía cubierto
- 8×10¹⁴ – 4×10¹⁷ eV.
Resultados principales
El escape galáctico
La contribución mayor de BASJE en su primera etapa fue la determinación del espectro de energía de los rayos cósmicos primarios entre 8×10¹⁴ y 4×10¹⁷ eV. Dentro de ese espectro encontró que el exponente de la ley de potencias cambia de −1,8 a −2,2. Dicho sin fórmulas: por encima de cierta energía, los rayos cósmicos dejan de estar confinados por el campo magnético de la Vía Láctea y empiezan a escaparse de la galaxia. Fue la primera vez que se mostró.
Aunque hay discusión sobre la magnitud exacta del cambio de exponente, Aguirre sostiene que
«no hay duda que la observación hecha por el BASJE es punto de referencia para todos los estudios que sobre rayos cósmicos se hacen hoy en el mundo».
Por delante de los aceleradores
El dispositivo inicial operó prácticamente sin modificaciones hasta 1969, cuando empezó un experimento nuevo: medir el espectro de energía de los protones primarios supervivientes a la altura de Chacaltaya. Se publicó en Il Nuovo Cimento en junio de 1975, y contiene la medición de la sección eficaz protón–aire entre 3,4 y 8,8 TeV, un rango que las máquinas artificiales aún no alcanzaban.
Una montaña boliviana midió, con detectores enterrados bajo plomo, algo que los aceleradores más caros del mundo todavía no podían verificar.
La apertura de una disciplina
En ese mismo periodo, BASJE dio los pasos pioneros para establecer la astronomía de los rayos gamma. Esa línea llega sin interrupción hasta ALPACA, que en la misma montaña observará el cielo austral por encima de 100 TeV.
La última etapa: el arreglo pequeño y la luz Cherenkov, 1987–2015
Lo que llevó el nombre BASJE hasta 2015 fue una línea de arreglos de superficie. En septiembre de 1987 el grupo de Fumio Kakimoto (Instituto Tecnológico de Tokio) puso en marcha con el IIF un arreglo pequeño —treinta y tres centelladores sobre unos 8.000 m² y uno blindado en el centro— para chubascos de más de 2 × 10¹³ eV, conocido en la literatura como MAS. Entre agosto de 2001 y octubre de 2002 se le añadieron detectores de luz Cherenkov atmosférica, y con más de 3.000 sucesos se midió la composición de los rayos cósmicos en la rodilla del espectro: más pesada que el carbono.
En octubre de 2010, Yoshiki Tsunesada —entonces en el Instituto Tecnológico de Tokio, hoy profesor de la Universidad Metropolitana de Osaka— puso en operación con Pedro Miranda, Juan Salinas y Wilfredo Tavera un sistema híbrido: 49 centelladores sobre 500 × 650 m y siete detectores Cherenkov nuevos, no formadores de imagen, en línea radial cada 50 m desde el centro, con señales de 10–100 nanosegundos digitalizadas a 1 GHz, para chubascos de más de 3 × 10¹⁵ eV. Buscaba la composición por encima de la rodilla, donde los rayos cósmicos galácticos dejan paso a los extragalácticos.
Cada detector Cherenkov era una caja de 45 × 45 cm y 95 cm de alto con un solo fotomultiplicador de cinco pulgadas bajo un filtro azul, un digitalizador a 1 GHz y un pequeño ordenador Linux; una tapa piramidal motorizada se abría al crepúsculo en las noches sin luna y el conjunto medía sin nadie en la montaña, disparado por el arreglo. Los siete midieron en septiembre y octubre de 2013 y de mayo a octubre de 2014, unas 700 horas en total; a fines de 2014 el análisis seguía en marcha. Ese arreglo y ese proyecto son los que dejaron de tomar datos en 2015 ⚠; el detector de muones de la sala Rossi no formaba parte de esa etapa.
Publicaciones clave
- I. Escobar et al., «Air Shower Search for High Energy Primary Gamma Rays». Pontificia Academia Scientiarum, Ciudad del Vaticano, 1964. ⚠ Referencia por completar.
- C. Aguirre et al., «Energy spectrum of surviving primary protons with energies (3–30) TeV at 5,200 m.a.s.l. and the cross-section for proton–air nucleus collisions». Il Nuovo Cimento, vol. 27 B, n.º 2, junio de 1975.
- C. Aguirre, «Correlation of pulsar positions and the arrival directions of air showers observed at Chacaltaya». J. Phys. A: Math. Nucl. Gen., vol. 7, n.º 12, 1974.
- C. Aguirre et al., «Electrons in large air showers observed at 5,200 m above sea level». J. Phys. G: Nucl. Phys., vol. 5, n.º 1, 1979.
- F. Kakimoto et al., «A small air-shower array at Mount Chacaltaya». Nucl. Instrum. Methods A, vol. 373, 1996, pp. 282–289. doi:10.1016/0168-9002(95)01508-6.
- H. Tokuno, F. Kakimoto, S. Ogio, … Y. Tsunesada, … P. Miranda et al., «The cosmic ray primary composition at the knee region from lateral distributions of atmospheric Čerenkov photons in extensive air showers». Astroparticle Physics, vol. 29, 2008, pp. 453–460. doi:10.1016/j.astropartphys.2008.05.001.
- Y. Tsunesada, R. Katsuya, Y. Mitsumori, K. Nakayama, F. Kakimoto, H. Tokuno, N. Tajima, P. Miranda, J. Salinas y W. Tavera, «New air Cherenkov light detectors to study mass composition of cosmic rays with energies above knee region». Nucl. Instrum. Methods A, vol. 763, 2014, pp. 320–328. doi:10.1016/j.nima.2014.06.054.
- F. Kakimoto y Y. Tsunesada, «ボリビア空気シャワー共同実験 (BASJE)» [Experimento conjunto boliviano de chubascos atmosféricos]. Presentación en la reunión de resultados del programa de uso compartido del ICRR, Universidad de Tokio, 13 de diciembre de 2014, 20 diapositivas. Copia en el IIF–UMSA.
El equipo boliviano
En la primera etapa: Ángel García, Ramón Schulczewski, José Ipiña, Alfonso Lazo, Israel Saravia, Ricardo Anda, Eduardo Maldonado y Carlos Uria. Más adelante: Julio Pacheco, José Rivas, Abelardo García, Elsa Maceda, Iván Geir, Carlos Ormachea, Honorio Vargas, Dardo Beramendi ⚠ y muchos otros.
Varios de estos nombres aparecen en las fotografías del archivo de Carlos Ormachea. Es el cruce más directo entre el fondo fotográfico del proyecto y un hito científico: son las mismas personas.
El objeto que queda
El detector de muones —quince módulos, un blindaje de galena y hormigón, hormigón armado a 5.200 metros con material subido desde dos puertos del Pacífico— es, con diferencia, el elemento material más sustancial que el Laboratorio ha construido.
Por qué importa para la candidatura
La candidatura ante la UNESCO no protege una idea: protege un lugar y lo que hay en él. El expediente necesita saber qué queda del detector, en qué estado, y con qué plan de conservación. Sin eso, BASJE es una historia magnífica sobre algo que ya no se puede ver; con eso, es el corazón material de la candidatura.