Curso de Astropartículas y Rayos Cósmicos.
Los estallidos de radiación de alta energía son comunes en nuestro Universo. Desde llamaradas solares cercanas hasta explosiones distantes de rayos gamma, una variedad de procesos físicos aceleran las partículas cargadas a una amplia gama de energías, que posteriormente llegan a la Tierra. Estas partículas contribuyen a una serie de procesos físicos que ocurren en el sistema terrestre. Una gran fracción de la energía de las partículas cargadas se deposita en la atmósfera, ionizando la atmósfera, provocando cambios en su química y afectando el circuito eléctrico global. Las partículas secundarias restantes contribuyen a la dosis de fondo de rayos cósmicos en la superficie y partes de la región del subsuelo. También se sabe que los secundarios de los rayos cósmicos dañan el ADN y causan mutaciones, lo que provoca cáncer y otras enfermedades. Ahora es posible calcular las dosis de radiación de partículas secundarias, en particular muones y neutrones. ¿Han afectado las variaciones en el flujo de rayos cósmicos la evolución de la vida en la tierra?
El curso proporciona una descripción general de la física de astropartículas, con énfasis en técnicas experimentales y teóricas de uso común tanto en física de partículas como en astrofísica de rayos cósmicos. El curso cubre la física de los rayos cósmicos, detectores, flujos de partículas de rayos cósmicos y experimentos con rayos cósmicos.
Al finalizar el curso el alumno habrá entendido:
- Conocimientos teóricos básicos de los temas tratados;
- Características comunes de las medidas en la física de rayos cósmicos en atmósfera y subterráneos, así como su problemática;
- Ideas de diseño y principios de funcionamiento utilizados en la física de astropartículas;
- Métodos utilizados para el análisis de datos en varios experimentos de física de astropartículas;
- Principales resultados experimentales de los últimos años en física de astropartículas, su análisis crítico e implicaciones.
El contenido del curso se desarrollará en tres módulos como se expresan a continuación. (Vea Programación)
| Módulo | Título | Contenidos |
|---|---|---|
| 1 | Una descripción general de la física de las astropartículas. | Una descripción general de la astrofísica de multi-mensajeros. Qué es la astrofísica "Multimessenger". El papel de los detectores de partículas en la física de astropartículas. Complementariedad entre la astrofísica con la radiación electromagnética tradicional y la astrofísica utilizando nuevas sondas (rayos cósmicos cargados, rayos gamma, neutrinos y ondas gravitacionales). Rayos cósmicos. Rayos gamma de energías GeV y TeV. Astrofísica de neutrinos. Laboratorios y Detectores para Física de Astropartículas. Experimentos espaciales. Experimentos en la atmósfera. Experimentos terrestres. Laboratorios subterráneos para eventos raros. |
| 2 | Los rayos cósmicos y nuestra galaxia | El descubrimiento de los rayos cósmicos. Rayos cósmicos y los primeros días de la física de partículas. El descubrimiento de los detectores de positrones y partículas. El movimiento en un campo magnético y la rigidez de las partículas. La identificación del positrón. Flujo diferencial e integral. El espectro energético de los rayos cósmicos primarios. Las propiedades físicas de la galaxia. El campo magnético galáctico. La distribución de la materia interestelar. Rayos cósmicos de baja energía del sol. El efecto del campo geomagnético. Número y densidad energética de los rayos cósmicos. Consideraciones energéticas sobre fuentes de rayos cósmicos. |
| 3 | Detección directa de rayos cósmicos | Generalidades sobre medidas directas. La técnica calorimétrica. Longitud de la interacción hadrónica y camino libre medio. La longitud de la radiación electromagnética. Longitud de la interacción hadrónica y camino libre medio en la atmósfera. Experimentos con globos. Experimentos de satélite. El Experimento PAMELA. El Experimento AMS-02 en la Estación Espacial Internacional. Abundancia de elementos en el Sistema Solar y en rayos cósmicos. Abundancias cósmicas de elementos. Espectro energético de protones y núcleos. |
| 4 | Detección indirecta de rayos cósmicos: lluvias de partículas en la atmósfera | Introducción e información histórica. La estructura de la atmósfera. La cascada electromagnética (EM). Soluciones analíticas. Duchas iniciadas por protones y núcleos. La componente muónica de la cascada iniciada por un protón. La componente EM en una cascada iniciada por protones. Profundidad máxima de la cascada para un protón. Cascadas inducidas por núcleos: el modelo de superposición. Un ejemplo de juguete de un cascada de rayos cósmicos (CRC). Algunos experimentos de CRC. Luz Cherenkov producida por CRC. El perfil temporal de las cascadas. La dirección de llegada de los rayos cósmicos. |
| 5 | Muones atmosféricos y muografía | Nucleones en la atmósfera. Mesones secundarios en la atmósfera. Muones y neutrinos de la desintegración de mesones cargados. El flujo de neutrinos atmosféricos convencionales. El flujo de muones y el flujo de partículas a nivel del mar. Mediciones de muones a nivel del mar. Muones subterráneos. La relación profundidad-intensidad. Características de los muones subterráneos/submarinos. Aplicaciones de la muografía. Experimentos iniciales. Experimentos de muografía: MURAVES , MU-RAY, CALICE, TOMUVOL, DIAPHANE, AMIGA, MUTE, etc. |
Hoy en día, todo el mundo sufre el impacto negativo (y positivo también para la innovación de la enseñanza, por ejemplo) de la pandemia de coronavirus (COVID-19) a nivel mundial y regional. La enseñanza en todas las instituciones educativas se ha trasladado a la educación a distancia a través de plataformas en línea. Se han reprogramado las reuniones, seminarios y conferencias para que se realicen en línea a través de programas de software de videoconferencia como Zoom, Google Meet, Collaborate, BlackBoard y otros. Si bien muchas personas están considerando la implementación de nuevas tecnologías en la educación como un paso innovador hacia el desarrollo de una educación inteligente en línea, la enseñanza en línea presenta algunos desafíos tanto para los profesores como para los estudiantes, pero por encima de todo muchas posibilidades y ventajas. Aún cuando el curso pueda adaptarse a una modalidad semipresencial, acá se proponen las siguientes metodologías.
- Este curso consta de una clase (magistral) y una clase práctica de retroalimentación y práctica de ejercicios y problemas, que se enfocan igual en los contenidos del curso.
- Los problemas interactivos breves y las preguntas a los estudiantes animarán a los estudiantes a pensar activamente en el material que se está cubriendo.
- Habrá tutoriales con preguntas conceptuales y cálculos cuantitativos. Los estudiantes deben resolver todos los problemas de la tutoría.
- Enseñanza descriptiva, con referencias constantes a datos observacionales y experimentales, los problemas abiertos y las técnicas experimentales y variables físicas utilizadas para su interpretación.
- Los estudiantes deberán realizar pequeñas tareas de investigación (en libros, artículos científicos y sitios web) sobre algunos de los temas presentados.
- Creación de reuniones semanales en línea a través de muchos servicios de videoconferencia en línea como ZOOM, Google Hangouts y Skype. En cada reunión en línea, se discutirá con los estudiantes sus inquietudes, preguntas y sugerencias para mejorar la clase. Esto es muy útil para socializar con los estudiantes, lo que puede hacer que los estudiantes se sientan motivados para continuar aprendiendo los temas de la clase.
- Sesiones de tutoría. Esto es similar al anterior, pero la diferencia es que en esas sesiones, el profesor solo responderá las preguntas de los estudiantes sobre las asignaciones, proyectos y exámenes. Además, se ofrece una sesión de repaso el día antes de los exámenes y asignaciones para discutir con los estudiantes lo que necesitan estudiar y comprender antes de ir a los exámenes.
En cada clase tendremos dos partes: una de ~30m-40m para presentar los conceptos, seguida por otra de ~60m-50m para la discusión en los ejemplos resueltos. Los conceptos habrán sido previamente expuestos en videos e indicados en los materiales de estudio. En cada clase se propondrán ejercicios y asignaciones sencillas que deben resolver, consignar y sustentar cada tercera clase y cada sexta clase, respectivamente. Tendremos una hora de consulta para dilucidar las dudas que se presenten tanto en la solución de los ejercicios y las asignaciones propuestos.
Las herramientas computacionales son una parte escencial de la actividad científica actual. Pero además la ciencia es colaborativa por definición, por lo que la participación en equipos para avanzar en el desarrollo de ideas y propuestas es fundamental. Utilizaremos tres tipos herramientas computacionales: una de álgebra computacional y/o análisis de datos (Python y/o manipuladores simbólicos como Maple, Mathematica, etc); otra de edición de documentos científicos de álta calidad (overleaf) y otra un repositorio (Git) para la preservación de documentos, datos y códigos computacionales. La colaboración es fundamental en este curso, por lo tanto los reportes de las asignaciones especiales serán consignados en equipos de dos estudiantes. Tanto overleaf como el Git están diseñados para colaborar, para redactar, desarrollar códigos y proyectos de forma colaboraborativa.
La evaluación de este curso se realizará en base a tres tipos de actividades con reportes y sustentaciones orales. Los reportes y las sustentaciones se realizarán por equipos de dos personas pero las evaluaciones orales serán individuales. Los reportes de las asignaciones deberán ser consignados en el Git antes de la actividad evaluada. Los tres tipos de evaluación de este curso son:
- Cada cuarta clase se hará una evaluación sustentada de los ejercicios asignados como tarea. Se tomarán en cuenta seis de estas evaluaciones y sumarán el 60%. Las solución a los ejercicios se compartirán desde el repositorio git.
- A mitad del curso se propondrá y se sustentará (al final del curso) una asignación especial. Esta asignación sumará otro 20% del curso.
- Algunas asignaciones son de aplicación de los conceptos y otras de discusión de artículos relacionados con los tópicos que estemos desarrollando. Las asignaciones de aplicación buscan reforzar los conceptos del curso en la solución de un problema particular. La discusión de artículos relacionan los conceptos del curso con su utilización específica reportada en la literatura. Las asignaciones de aplicación serán presentadas de dos maneras: un reporte tipo artículo y una presentación de máximo 6 láminas expuestas en 12 minutos.
- En la clase 15 y en la 32 se realizará una evaluación oral de temas cubiertos hasta esas fechas. Esta conversación evaluada versará sobre un cuestionario que será enviado 24 horas antes de la actividad. Estas conversaciones evaluadas acopiarán el 20% restante.
Información de estas asignaciones y la programación está disponible en: Programación
- Lev I Dorman. Cosmic rays in the Earth’s atmosphere and underground, volume 303. Springer Science & Business Media, 2004. ISBN 978-1-4020-2071-1. [https://doi.org/10.1007/978-1-4020-2113-8].
- Peter KF Grieder. Cosmic rays at Earth. Elsevier, 2001. ISBN 978-0-444-50710-5. [https://doi.org/10.1016/B978-0-444-50710-5.X5000-3].
- Maurizio Spurio. Particles and astrophysics. Springer, 2014. ISBN 978-3-319-34539-0. [https://doi.org/10.1007/978-3-319-08051-2].
- Lorenzo Bonechi, Raffaello D’Alessandro, and Andrea Giammanco. Atmospheric muons as an imaging tool. Reviews in Physics, 5:100038, 2020. [https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405428320300010].
- Ralf Kaiser. Muography: overview and future directions. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 377(2137):20180049, 2019. [https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rsta.2018.0049].
- N. Lesparre, D. Gibert, J. Marteau, Y. Déclais, D. Carbone, and E. Galichet. Geophysical muon imaging: feasibility and limits. Geophysical Journal International, 183(3):1348–1361, 2010. [https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2010.04790.x]. [https://academic.oup.com/gji/article/183/3/1348/638804?login=true].