El presente proyecto se basa en la participación en dos áreas experimentales comprendidas en la física de altas energías: la física de astropartículas y la de colisiones de hadrones a altas energías. Para realizar estos estudios se contempla participar en dos colaboraciones experimentales internacionales, el observatorio HAWC y el experimento ALICE del gran colisionador de hadrones del CERN. Se tendrá una participación con 75% del tiempo de investigación en el área de astropartículas con el observatorio HAWC y de 25% del tiempo en el estudio de colisiones hadrónicas con participación en el experimento ALICE y utilizando datos de colisionadores de hadrones.

La parte de la propuesta que se relaciona con el observatorio HAWC se trata de un proyecto exploratorio en el cual se investigará la posibilidad de extender las capacidades científicas del observatorio a la detección de neutrinos con energías mayores a decenas de peta electrón volts (PeVs). Se trata de un área de investigación de frontera debido a que hasta ahora no ha sido posible la detección de neutrinos de estas energías llamados también cosmogénicos, por lo que una sola detección constituiría una contribución muy importante a esta área de investigación. Además, de ser posible realizar estos estudios se incrementarían los alcances científicos de HAWC; único instrumento de frontera en el área de física de altas energías instalado en México.

El método que se propone explorar para detectar neutrinos se basa en planteamientos teóricos que se fundamentan en la interacción de neutrinos con nucleones por medio de una corriente cargada débil. Como resultado de esta interacción se producirá un leptón del mismo sabor que el neutrino inicial. Para ser capaces de producir una interacción con neutrinos se requieren grandes volúmenes de material de alta densidad. En el caso de HAWC se propone utilizar a las montañas que rodean al observatorio para producir estas interacciones. De los tres sabores de neutrinos que existen los neutrinos tau son los más interesantes desde el punto de vista experimental. Esto se debe a que los leptones asociados a estos son los únicos capaces de producir señales detectables en HAWC. Esto es por que los leptones tau al tener una vida media corta y decaimientos tanto electromagnéticos como hadrónicos son capaces de producir cascadas como las que comúnmente detecta HAWC, pero en este caso las cascadas apuntarían a las montañas. Las montañas al tener una alta densidad y volumen actúan como convenientes filtros de las cascadas iniciadas por rayos cósmicos ordinarios y que son un fondo para la detección de las cascadas iniciadas por neutrinos. Si la detección de neutrinos de ultra alta energía fuera posible con HAWC, esta extendería ampliamente los objetivos del observatorio y se excederían sus capacidades de diseño.

En el caso de la participación en el estudio de colisiones de hadrones se contempla realizar estudios de física de jets producidos en colisiones hadrónicas. Un jet es producido por la dispersión fuerte de los quarks y gluones que constituyen a los hadrones y por tanto es la manera experimental de estudiar a estas partículas elementales de manera indirecta. El Instituto de Física de la UNAM ha participado activamente en la instrumentación y operación de uno de los experimentos del gran colisionador de hadrones del CERN, el experimento ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Específicamente uno de los detectores de disparo del experimento fue construido y diseñado en el Instituto, el detector V0A, y yo participé en la construcción y caracterización final del detector siendo estudiante de posgrado al realizar mi tesis de maestría.

Los objetivos de esta parte del proyecto son: incrementar la participación del grupo experimental del Instituto de Física en el análisis de datos y estudio de la fenomenología de las colisiones de hadrones además de participar en el proyecto de desarrollo de un nuevo detector de disparo (V0+) para ALICE que podría ser instalado en el CERN en 2018. El proyecto se trata de un proyecto descriptivo, en el cual se busca caracterizar a los jets producidos en las colisiones de hadrones. Para esta parte del proyecto se realizarán estudios ya sea utilizando datos obtenidos por ALICE, al caracterizar a los jets en base a las propiedades de las partículas cargadas que los componen, o se trabajará con datos públicos obtenidos por otros experimentos de colisionadores de hadrones. En este último tema lo que se buscaría sería estudiar la relación que existe entre la sección de producción de jets y la energía en el centro de masa disponible en las colisiones, además de caracterizar como se da esta relación como función de uno de los parámetros que definen al jet: sus dimensiones físicas. Este parámetro es especialmente interesante puesto básicamente todos los experimentos hasta ahora han utilizado diferentes valores de este parámetro, por lo que es interesante el estudiar que efecto tiene esto en la caracterización de los jets. En cuanto a la participación en el desarrollo del nuevo detector de disparo de ALICE, sería por medio de trabajo en las simulaciones sobre el desempeño de este nuevo detector.

- Detección de neutrinos ultra energéticos con HAWC -

El método de detección de neutrinos al interaccionar con montañas es novedoso y especialmente interesante debido a que aún no ha sido posible realizar una detección de neutrinos cosmogénicos. Las mejoras respecto a otros experimentos que han intentado utilizar esta técnica se deben a las características de diseño propias del observatorio HAWC al poder operar la mayor parte del tiempo. Además, las herramientas de análisis que será necesario desarrollar para llevar a cabo este proyecto tendrán utilidad en otros estudios hechos por HAWC, al poder incrementar la cobertura angular en la cual se pueden reconstruir las cascadas atmosféricas al incluir cascadas producidas a ángulos más cercanos al horizonte. Aún en el caso de que después de una larga campaña experimental no haya sido posible encontrar señales de neutrinos ultra energéticos, será posible establecer límites en cuanto a los modelos teóricos que predicen los flujos de este tipo de neutrinos. A largo plazo se espera que por medio de proyectos como este, que tienen su origen en una institución mexicana, se puedan formar recursos humanos que hagan el mayor y mejor uso posible de HAWC, único instrumento de frontera en la física experimental de altas energías construido en México y que se espera que opere por lo menos por 10 años.

- Propiedades de jets de colisiones hadrónicas y el experimento ALICE -

La mayor parte del trabajo de esta parte del proyecto está enfocada en la formación de recursos humanos al realizar tesis de licenciatura. Los temas de análisis propuestos son novedosos puesto que hasta donde el autor del presente proyecto sabe, estos no han sido desarrollados. Las propuestas de análisis también tienen la ventaja de que pueden ser abordados de una manera sencilla de tal modo que son proyectos factibles para que los puedan realizar estudiantes en el periodo que cubre una beca de PAPIIT.

El tema del desarrollo del nuevo detector de disparo V0+ para el experimento ALICE forma parte de un esfuerzo conjunto de los miembros del grupo de física experimental del alta energía del Instituto de Física. De ser exitoso el proyecto del nuevo detector, se tendrá como impacto el contar con otro detector totalmente desarrollado en el Instituto de Física en uno de los principales experimentos del LHC.