AMS: Detector de Particulas en el Espacio

Hola Elementales,

Se acaba de terminar en las instalaciones del CERN en Ginebra el detector más impresionante construido hasta la fecha: el AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer).  Se ha enviado hasta las instalaciones del Centro Kennedy de la NASA en Florida el pasado 25 de agosto de 2010, desde donde se enviará a la estación espacial internacional ISS en el último vuelo del transbordador espacial .

En el proyecto han colaborado más de 60 centros científicos de todo el mundo y de mas de 16 paises. incluyendo a España (el Instituto de Astrofísica de Canarias, IAC, y el Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas de Madrid, CIEMAT). 

El equipo es un viejo sueño hecho realidad: un detector de partículas superenergéticas, tanto que no nos es posible producirlas aún (y seguramente durante decenios) en los actuales aceleradores de partículas, pero que sin embargo llegan a diario y chocan con las capas altas de la atmósfera de la Tierra.

Tan pronto como los científicos de USA descubrieron con gran decepción que nunca tendrían fondos para construir su SuperColisionadorSuperconductor (SSC) en 1995, empezaron a pensar en formas más eficientes, y sobre todo ´mucho más baratas de seguir explorando energías más altas (o lo que es lo mismo, partículas más pequeñas). La idea, el diseño y la principal responsabilidad es de Samuel Ting, físico de laboratorio y famoso caza partículas, premio Novel de Física en 1985 por su descubrimiento de la primera partícula encantada la J/Shi (J/ψ mesón, también llamada en broma partícula gitana por su sonido en inglés).

Como la idea era muy ambiciosa para la época, se creó un primer prototipo mucho más sencillo, el AMS-01, que voló a bordo del transbordador espacial Discovery en 1998. De aquella experiencia muy humilde se aprendió lo bastante como para que ahora, el muy mejorado, AMS-02 sea una realidad. Estuvo en funcionamiento unas 100 horas, pero demostró su viabilidad. Pesaba 3,5 toneladas, y curiosamente viajó en el último vuelo a la estación espacial rusa MIR. Básicamente era un imán enorme capaz de modificar la trayectoria de las partículas procedentes del espacio, calculando así su carga. No encontró antihelio, otro de sus objetivos, estimando así que de haber finalmente en el espacio antimateria debe ser en una proporción inferior al menos de 1 frente a 1 millón.

No obstante ha habido que superar grandes obstáculos, no exactamente técnicos:

Primero la destrucción del Columbia en 2003 postergó su lanzamiento a 2005.

El presupuesto inicial pasó de una optimista estimación de tan sólo unas decenas de millones de dólares hasta unos 1.500 millones, que ha costado realmente!

El equipo es tan pesado (unos 6.700 Kgs) que no puede enviarse con cohetes no tripulados ni lanzadores de satélites convencionales, ni siquiera con las nuevas cápsulas desechables que abastecen ya a la estación.

Cuando el gobierno de los USA anunció que iba a jubilar a todos los transbordadores y que ya no habría más vuelos en 2010. Toda la comunidad científica se volcó en conseguir un último vuelo para ponerlo en la estación.

El detector es una proeza de técnica, pero consumirá tanta energía (de 2000W a 2500W) que sólo abordo de la ISS,  con sus potentes paneles solares, podrá alimertarse lo suficiente como para garantizar una larga vida útil. Ningún satélite tiene disponible ese consumo.
También se deben procesar y almacenar los datos en órbita porque generará un flujo de datos de 10Gbits/seg cuando esté plenamente operativo: una capacidad de transmisión de la que carece la estación espacial. Almacenando, procesando y comprimiendo puede reducirse el bit rate hasta  1Gbits/seg, algo más digerible. Así que debe tener a bordo un gran ordenador con capacidad de procesamiento muy elevada. De nuevo más peso y consumo.

En el último minuto se decidió suprimir el imán superconductor refrigerado con helio liquido (a 1.8K) por otro muy potente pero convencional, adelantando la entrega del proyecto y aligerándolo de peso y consumo: no podemos perder el último tren a la estación! Reducirá algo sus prestaciones como detector, pero alargará su vida útil de 3 años hasta unos 10 años!.

El equipo es básicamente un cilindro hueco que permitirá analizar las partículas que lo atraviesen de arriba a abajo. En sus interior los diversos dispositivos determinarán la carga y velocidad de las partículas, dirección de llegada, etc...

Podrá reconocer nuevas partículas, así como sus fuentes. tal vez detectemos las famosas y  escurridizas componentes de la materia oscura. Cuyos más probables candidatos son los "neutralinos", propuestos por las teorías supersimetricas, y la materia extraña "Strangelet" (partículas compuestas por quarks "s" extraños además de "u" y "d" como la materia normal, se cree que la materia normal procede de ella al enfriarse, veremos si aún queda algo.

Las teorías supersimétricas pronostican que por cada leptón hay un nuevo ´hadrón y viceversa, así al neutrino le corresponde un "neutralino". Se trata así, por simetría, de explicar porqué hay un mismo número de partículas en cada familia, tal y como ahora postula el modelo estándar pero sin explicar lo, porque bien podría ser de otra manera, pero se ha ajustado empíricamente para que coincidan, al igual que sus cargas (que la carga del electrón y la del protón coincidan es hoy día un dato, pero hay una buena razón para ello más profunda?). 

Análisis de los rayos cósmicos en un amplio espectro de energías y partículas (desde protones a núcleos de hierro), imprescindible para poder diseñar escudos de protección fuera del campo magnético de la Tierra: para poder viajar por el espacio, por ejemplo a Marte.

Del estudio de las partículas bien conocidas se espera descubrir nuevas fuentes y fenómenos cósmicos de alta energía. Todavía hoy desconocemos mecanismos para acelerar hasta esas velocidades en detalle... y de otros ni sospechamos siquiera cómo.

Podrá determinar su hay una cantidad significativa de antimateria en el universo (al menos acotar un nuevo límite de núcleos de antihelio, el AMS-01 lo situó en 10^-6 en proporción con el helio común y el AMS-02 tendrá 1000 veces más sensibilidad: hasta 10^-9).

Estamos esperando su lanzamiento previsto para febrero del 2011.

Es curioso que el estudio de los rayos cósmicos, aunque no directamente si no de los subproductos de sus choques con las partículas de la alta atmósfera a principios del siglo XX, produjera una pequeña revolución encontrándose los muones, los piones y las partículas extrañas. En esa etapa anterior a los aceleradores de partículas fueron los rayos cósmicos los que generaron nuevos datos experimentales con los que avanzaron o se superaron teorías previas. El inconveniente es evidente: no se puede controlar su intensidad, ni localización y requiere un ejercicio de paciencia y enorme sacrificio (se medían en cumbres muy elevadas y aisladas durante periodos de tiempo muy dilatados).

Y ahora que nuestro problema es técnico y presupuestario: os encontramos de nuevo ante una limitación de los generadores de partículas en laboratorio, debamos volver a estudiar fuentes naturales lo suficientemente energéticas. los rayos cósmicos. Esta vez sí directamente en el espacio.

Si el proyecto es el éxito que se espera, quien sabe si la próxima generación de detectores podrá adentrarse en el espacio profundo. Confiemos que tras demostrar su viabilidad y éxito encuentren financiación en un futuro a medio plazo.

Un saludo Elementales

Francisco Jose Menchen