High Altitude Water Cherenkov / El Observatorio de Rayos Gamma HAWC

HAWC, High Altitude Water Cherenkov, es un observatorio de rayos gamma (γ) de gran apertura capaz de monitorear el cielo en el rango de energías de 100 GeV a 100 TeV. En 2010 se instaló el arreglo de verificación VAMOS, y en 2011 se instalará la primera fase de HAWC que consta de 30 tanques detectores.

Los rayos gamma que observará HAWC provienen de objetos celestes bajo condiciones físicas extremas, en los que se producen partículas (o rayos cósmicos) de las más altas energías. El observatorio Milagro ha demostrado que un detector con un amplio campo de visión (2sr) funcionando casi el 100% del tiempo puede descubrir nuevas fuentes de rayos gamma con energías entre 10 y 100 TeV. El observatorio HAWC se basa en la experiencia y la tecnología de Milagro para hacer una segunda generación de detectores Cherenkov de agua de alta sensibilidad. Este detector único, será capaz de monitorear de forma continua el cielo para fuentes transitorias de fotones con energías entre 100 GeV y 100 TeV.

HAWC será construido por una colaboración de científicos de los EE.UU. y México. El sitio de HAWC es Sierra Negra, Mexico, que está a una gran altura (4100m) situado cerca de infraestructura existente y de instituciones colaboradoras. El observatorio HAWC utilizará la tecnología de Cherenkov de agua (empleada en Milagro) y muchos de los componentes de Milagro. La primera fase de HAWC puede estar en funcionamiento rápidamente, superando la sensibilidad de Milagro dentro de dos años de la aparición del financiamiento. Debido al aumento de altitud, la mayor área física, y el diseño optimizado, HAWC tendrá una mejor resolución angular, mayor área efectiva, la disminución de la energía umbral de antecedentes y mejor rechazo. Estas mejoras se traducirá en una sensibilidad de 10-15× (dependiendo de la fuente del espectro) mejor que la de Milagro y se puede lograr sin ningún tipo de nueva tecnología, con sólo una modesta mejora de la electrónica actual. Hemos utilizado los datos existentes de Milagro y simulaciones para comprobar estos cálculos.

HAWC permitirá el estudio de rayos γ de muy alta energía que son inalcanzables con el actual conjunto de instrumentos:

1. HAWC mapeará la emisión galáctica difusa de rayos gamma por encima de 1 TeV y, por tanto, medirá el flujo de rayos cósmicos y el espectro en toda la galaxia. Este mapa nos permitirá ver las regiones de fuerte emisión por encima de lo esperado a partir de interacciones con la materia: indicativo de la aceleración de rayos cósmicos.
2. HAWC con su mejor resolución angular y de energía además de mejorar el rechazo de fondo, descubrirá las fuentes de rayos gamma de más alta energía en la Galaxia. Milagro ya ha observado los rayos gamma de una fuente, MGROJ1908 +06, por encima de 100 TeV. La medición del espectro de alta energía de HAWC nos permitirá determinar si estas fuentes son también fuentes de los rayos cósmicos galácticos.
3. HAWC llevará a cabo un mapeo imparcial del cielo con un umbral de detección de ∼30 mCrab en dos años, lo que permite el monitoreo de fuentes conocidas y el descubrimiento de nuevas clases de fuentes de rayos gamma, tanto puntuales como difusas en TeV. HAWC, en un año, será más sensibles a energías por encima de ∼6 TeV en todo su campo de visión que IACTs con 50 horas de observación sobre una fuente puntual.
4. Con la sensibilidad para detectar un flujo de 5 veces la del Cangrejo en sólo 10 minutos a lo largo de todo el cielo, HAWC observará destellos de AGN que no son observables por otros instrumentos, incluidos los destellos huérfanos de TeV. Observaciones Multi-longitud de onda de destellos de AGN, desde radio hasta TeV, probará el medio ambiente hasta unos cuantos cientos de UA del agujero negro súper-masivo, limitando los modelos de producción de rayos gamma y la aceleración de partículas cargadas.
5. La sensibilidad a bajas energías del HAWC y su continua operación son únicos y esenciales para medir la rápida emisión de las explosiones de rayos gamma (GRBs por sus siglas en inglés de Gamma Ray Bursts). HAWC podrá detectar GRBs a z∼1 si, como se predijo, su fluencia (la tasa a la cual un flujo de partículas cruza una unidad de área) en TeV es comparable a su fluencia en KeV, mientras que para GRBs más cercanas se pueden detectar fluencias mucho menores. Si GLAST ve un solo fotón de GRB por encima de 100 GeV, HAWC verá cientos, revelando el comportamiento de GRBs de alta energía y permitiéndonos analizar en gran parte el factor de Lorentz y el tamaño de la región emisora.

HAWC volverá a utilizar el 900 8" Hamamatsu PMTs de Milagro, y desplegará cada PMT en un tanque de agua de plástico comercial de 4,6 m de profundidad por 5,0 m de diámetro. Los tanques se desplegarán en un denso patrón que proporciona más del 75% de cobertura del área instrumentada de 150m x 150m. Cada tanque contendrá un PMT de 8" mirando hacia arriba, anclado a la parte inferior. Cuando un rayo gamma de alta energía incide en la atmósfera de la Tierra, una Cascada Electromagnética Extensa (EAS: Extensive Air Shower) es inducida. Si la energía es lo suficientemente alta, las partículas secundarias puede llegar al detector de HAWC ubicado en el fondo. El arreglo de los tanques de agua son sensibles a estas partículas secundarias en la medida que lleguen al suelo. Estas partículas secundarias iluminan el PMT con la luz Cherenkov que producen. Cuando varios tanques observan la misma Cascada Electromagnética, es posible reconstruir la dirección del rayo gamma primario que causó la Cascada.

Además de los rayos gamma que golpean la atmósfera, HAWC debe lidiar con un gran fondo de hadrones inducidos por Cascadas inducidas por rayos cósmicos. Estos eventos hadrónicos de fondo difieren del de los rayos gamma y podemos distinguir entre los dos tipos de eventos. Cualitativamente hablando, las Cascadas Hadrónicas son más agrupadas, y pueden tener deposiciones de energía lejos del núcleo de la cascada. Los eventos de rayos gamma suelen ser suaves. Las dimensiones de los tanques de HAWC han sido elegidos para maximizar nuestra capacidad de ver estas deposiciones locales, al tiempo que se mantiene la capacidad de ver rayos gamma.

El rechazo del fondo por HAWC a las más altas energías (> 50 TeV) es más de un orden de magnitud mejor que el de Milagro, y permitirá una medición casi libre del fondo. Este rechazo del fondo, combinada con la muy superior resolución de energía y resolución angular de HAWC, nos permitirá hacer una medición precisa, nunca vista, de los rayos gamma de más alta energía.

Figura 1. Un tanque de 5 m de diámetro simulado en
Geant4 para un solo muon vertical. El número de fotones
se redujo en un factor de 50 para visualización.