AltasTecnologías
Respaldan a JEM -EUSO

Comparación de JEM-EUSO con grandes observatorios terrestres
AugerArreglos deTelescopio

JEM-EUSO

Consorcio
Internacional

Universidad de Tokyoy Universidad de Utah

Consorcio
Internacional

Utah, USA

Argentina

Utah, USA

Estación Espacial
Internacional

Telescopio terrestrede fluorescencia

Detectores terrestres +Telescopio terrestre defluorescencia

Detectores terrestres +Telescopio terrestre defluorescencia

Telescopio Espacialde fluorescencia

1990–2004

1997–2006

2005 -2007 -Lanzamiento
esperado en 2013

2150

500

7000

760

125000Eventos detectados deultra-alta energía(No./año)

1050 deseados,
3 observados.

10 (esperados)

350 – 1700
(esperados)

AGASA
Organización
Ubicación

Lente de fresnel #2

HiRes

Universidad de Tokyo Universidad de Utah
Yamanashi, Japan

Electrónica

Tipo de Detectores Detectores terrestres
Lente de fresnel de precisión
Soporte de la estructura de la superficie focal
Iris

Periodo deOperaciones
Apertura Efectiva(km ·sr)

Detectores de la superficie focal

Lentes de Fresnel
Lente de fresnel #1

E structura

Realizando un ancho campo de visión
con muy poco peso.

2.26m

Superficie Focal
de Detección
6,000 fotomultiplicadores
conforman la superficie
focal de detección.

La superficie focal está curvada con un
diámetro de 2.26m. Cerca de 6000
fotomultiplicadores multianodo(PMT),de 1 pulgada cuadrada detectan la luz
desde diferentes lugares en la atmósfera terrestre. Los PMT más antiguos
tienen una eficiencia de detección de45%. JEM-EUSO y Hamamatsu Photonics han desarrollado conjuntamente
PMT’s con una eficiencia del 85%.

El telescopio JEM-EUSO usará lentes de fresnel. Una lente deFresnel es una lente semi-llana que tiene surcos circulares que
eliminan la gran masa de un lente cóncavo. Una lente delgada
y liviana es necesaria para su uso en el espacio, teniendo lasmismas prestaciones ópticas que los gruesos y pesados lentes.
JEM-EUSO usa dos lentes de Fresnel curvados y de doble carade transmisión de luz UV, plásticos y una lente de Fresnel demicro difracción. Este diseño permite la mejor eficiencia parael mayor ángulo de campo de visión. El tamaño de las tres
lentes es 2.5m de diámetro, compuesto de una parte central
de 1.5m y las lentes anulares circulares exteriores.

Superficie Focal
Superficie focal: Consta de 164
módulos, y el número total de
PMT es de 5904.

Cubre una superficie focal de2.26m de diámetro con 5904
PMT, cada PMT está compuesto
36 unidades foto sensibles de6x6.

Lanzamiento

La configuración de las Lentes centrales y ángulares,
permite tener el lente mas grande que ha sido fabricado
para un solo equipo.

El Vehículo de transferencia parala estación espacial internacionalde JAXA (HTV) llevara a JEM-EUSO.

Fotomultiplicadores

N51°– S51° × para todas las longitudes

Número de pixeles dela superficie focal
Resolución de tierra

Alrededor de 0.8 km

Campo de Visión

60°

Ciclo de servicio

12–25%

Apertura (tamaño terrestre)

0.2 millones Km²

Duración de la Misión

3 (+2) años

Diámetro del telescopio

2.5m

Masa total~1.9 tonSistema ópticoDos lentes dobles de fresnel y lentes dede fresnel de alta precisión

Uso de potencia< 1kW

Altitud

Alrededor de 400km

Latitud y longitud de observación

Alrededor de 0.2 millones

Colaboración InternacionalJapón

RIKEN Konan Univ. Fukui Tech. Univ. Aoyama Gakuin Univ. Saitama Univ. NIRS Univ. TokyoTohoku Univ. ICRR, Univ. Tokyo KEK Chiba Univ. NAOJ ISAS/JAXA Kanazawa Univ. Nagoya Univ.
STE Lab., Nagoya Univ. Yukawa Inst., Kyoto Univ. Kyoto Univ. Kobe Univ. Kinki Univ. Hiroshima Univ.
Hokkaido Univ Tokyo Inst. Tech.

USANASA/MSFC

UAHFranciaAPC-Paris 7LAL, IN2P3-CNRS

Alemania

MPI Munich

Univ. Tuebingen

ItaliaUniv. Florence Univ. Naples
INOA/CNR
IASF-PA/INAF

MéxicoICN-UNAM

BUAP

Repúblicade Korea

Ehwa W. Univ.

Yonsei Univ.

Rusia

SINP MSU

Suiza

Neuchatel, CSEM IACETH

EspañaUniv. Alcalá

Polonia

IPJ

EslovaquiaInst. Experimental Physics, KOSICE

2.5m

Módulo sensor de luz

La superficie de los PMT tieneun área efectiva de 85%, conpixeles 6x6 con un área total
de 26.2 mm cuadrados.

Operación de la Misión JEM-EUSO

LBL, UCB

UCLA

Vanderbilt Univ.

Univ. Arizona.

MPI Bonn

Univ. Erlangen

LMU&MPQ

Univ. Palermo
IFSI-TO/INAF

Univ. Rome “Tor Vergata”
INFN

Univ. Turin

UMSNH

Dubna JINR

Nueva Astronomía utilizando la Atmósfera Terrestre como Observatorio GiganteObservatorio espacial del universo extremo a bordo del módulo experimental JaponésPodlasie Univ.

Kielce Univ.

Jagiellonian Univ.

Colaboración de JEM-EUSOEl HTV será lanzado por un cohete H-IIB(JAXA) y llevará a JEM-EUSO a la ISS. Losbrazos robóticos de la ISS desplegarán aJEM-EUSO en el módulo JEM “Kibo”.

Computational Astrophysics Laboratory, RIKEN

Vehículo de transferencia de estación espacial (HTV) acercándose a ISS ©JAXA

2- 1 Hirosawa, Wako, Saitama 351 - 0198 Japan
Tel : +81- 48- 467- 9417 Fax : +81- 48- 467- 4078
E-mail : jem-euso-staff@riken.jp URL : http://jemeuso.riken.jp/
July 2009Génesis

Observatorio Espacial de Universo Extremo
a bordo del Módulo Experimental Japonés

JEM - EUSOAGASA

Las más altas energías observadas en el mundo, por encima. de 10²0eV.

Estación Espacial Internacional( ISS )Miles de partículas cargadas llegan a la tierra a razón de 1 por m² cadasegundo. Son llamadas rayos cósmicos. Su flujo decrece cuando aumenta su
energía. Se cree que los rayos cósmicos de energías superiores a 4x10¹9 eV
son suprimidos por las pérdidas debido a colisiones con los fotones de laradiación de fondo microondas al viajar por el universo.

Supernova explosion ©NASA et al.

Gamma ray burst ©BeppoSAX TeamPulsar ©NASA et al.

Tras el descubrimiento de un rayo cósmico de energía mayor que 10²0 eV en
1962 por Linsley, una docena más de eventos fueron observados en ladécada de 1990 por el observatorio AGASA (Akeno-Giant-Air-Shower-Array)de la universidad de Tokio y el experimento Fly's Eye/Hi-Res de launiversidad de Utah. El origen de las partículas de más altas energías es
hasta ahora desconocido.
*(10²0 eV; 16 Joules de energía pueden calentar 1 cc de agua cerca de 4 ºC)

JEM-USO se desplegará en“KIBO” (JEM) de ISS, orbitando
la tierra cada 90 minutos
aproximadamente a 400 km
de altitud.

Observa

Rompecabezas

Entre las posibles fuentes candidatas capaces de acelerar partículas
a ultra alta energía se podrían incluir objetos desconocidos.

El hecho que partículas con energía significativamente por encima de lasupresión GZK hayan sido observadas desafía nuestro conocimiento defísica y astrofísica. Puede que haya fuentes de partículas de las más altas
energías cerca de nuestra galaxia (alrededor de 50 Mpc). Estas fuentes
pueden ser las bien conocidas galaxias más luminosas. (Centaur-A y VirgoM-87), o pueden ser objetos desconocidos. En el caso de que ninguno delos eventos apunte a un objeto conocido, puede tener un origen extraño
más allá de la relatividad especial (nuevos objetos o mecanismos deaceleración desconocidos).

Espaciosm

Observando la tierra desdela estación espacial internacional

JEM-EUSO ha sido planeado para resolver la cuestión sobre lasupresión-GZK y para identificar el origen astronómico de estas partículas.
JEM-EUSO puede detectar 1000 partículas por encima de 7x10¹9 eV en una
misión de 3 años. La energía y su dirección serán medidas con exactitudpara aclarar el origen de las partículas de las más altas energías.
El módulo experimental Japonés (JEM Japan Experiment Module) en laestación espacial internacional albergará a JEM-EUSO. Este telescopio
astronómico no está dirigido al universo, en lugar de eso observa hacia lasuperficie de la tierra. Mientras que un observatorio astronómico
contempla al universo desde la tierra, JEM-EUSO observa el universo
mirando a la tierra, ya que la atmósfera terrestre es el detector más
grande empleado en nuestra búsqueda para entender el origen de estas
partículas elusivas que provienen del universo. JEM-EUSO es un nuevo
tipo de observatorio astronómico, llamado telescopio astronómico deobservación terrestre.

ultra

Rayos fluorescentes

alt1018eVAtmósfera terrestre1019eV

20

10 eV
Partículas cargadas con bajas energías son
desviadas por el campo magnético, pero
aquellas con una energía por encima de10²0eV viajan a lo largo de toda la trayectoria con baja influencia de los campos
magnéticos, de este modo mantiene lainformación de dirección de origen.

rgía

Cascada atmosférica

Cascada atmosférica

snotriuNeen la estación espacial internacional, explora
el origen de las partículas de más alta energía en el universo.
Atmósfera terrestre fatografiada desde el Transbordador Espacial de la NASA.

Resultados desde el telescopio espacial JEM-EUSO

aene

AGASA 10km
Auger 50km

Para explicar el origen de las partículas de tan alta energía, varios candidatos han sido
propuestos, estos incluyen supernovas, rayos-gamma, ráfagas, núcleos de galaxias activas,pulsares, y recientemente colisiones de radio galaxias y sus agujeros negros súper-masivos
centrales. La mayoría de estos son sin embargo, incapaces de acelerar partículas más allá de10²0 eV por los mecanismos conocidos. Existe consenso de que debe haber algún mecanismo
desconocido de aceleración o bien estas deben provenir de un mecanismo de otro tipo queno sea de aceleración.

CódeJEM-EUSO

Astronomía por partículas cargadas en el universo

Ra

ico

400km

Las partículas cargadas de bajas energías son desviadas por los campos magnéticos en elespacio galáctico e intergaláctico. La información direccional de su origen se pierde. Sinembargo, las partículas de las más altas energías son poco desviadas, y por eso retienen la
dirección a su origen. De esta forma, las partículas de las más altas energías son útiles comomensajeros cósmicos para astronomía, junto con la luz visible, rayos x, y la luz infrarroja.

Un electrón en una cascada atmosférica excita las moléculas de nitrógeno
en la atmósfera, y estas instantáneamente emiten numerosos fotones defluorescencia ultravioleta a lo largo de su paso. JEM-EUSO captura esta luz
remotamente, y toma imágenes del rastro de la cascada cada varios
microsegundos como una cámara digital de velocidad extremadamente
alta. El incremento y decaimiento de la intensidad de luz a lo largo de una
cascada descendiente registra la energía y la dirección de llegada del rayo
cósmico.

yoUna gran área de observación es necesaria para detectar los extraños
eventos de las más altas energías. El instituto de investigación de rayos
cósmicos de la Universidad de Tokio ha construido un experimento que
consiste en una red de Telescopios, con un área de 760 km², en Utah,
USA, el sucesor de AGASA. El más grande actualmente funcionando, con JEM-EUSO modo inclinado
un área de 3500 km², comenzó en el 2005 en Argentina, es el
Observatorio Pierre Auger.(Pierre Auger fue un científico francés, elprimero en descubrir las cascadas atmosféricas, hace 70 años). Los
observatorios situados en la superficie están limitados a observar elhemisferio norte o sur, pero no ambos.

R etosLos rayos cósmicos que impactan la tierra colisionan con los núcleos de lasmoléculas de la atmósfera y genera numerosos electrones, mesones yrayos gamma. Las partículas secundarias producen una nueva generaciónde partículas, a través de su paso en la atmósfera. Al rastro completo quedeja a su paso se le llama “cascada atmosférica”. Un evento cósmico de altaenergía a 10²0 eV genera 100 billones de partículas, que caen al suelo en unradio de 3 km.

¿Está limitada la teoría de la relatividad ?
¿Existen objetos y mecanismos desconocidos?

La apertura de JEM-EUSO es 1000veces más grande que AGASA

Los detectores de estos observatorios han casi alcanzado la extensión máxima posible en la tierra. Un observatorio espacial paradetección remota, JEM-EUSO, da un gran paso en el área de observación, desde 100,000 a 500,000 km² (más de 1000 vecesAGASA) teniendo una posición privilegiada a 400 km en el cielo y con un ancho campo de visión de 60º. La estación espacial
vuela sobre ambos hemisferios, norte y sur. Una observación uniforme de todo el cielo por un solo detector, nos permitirá
buscar correlaciones con todos los objetos conocidos.

Captura luz ultravioleta
de una lluvia cósmica

Radio galaxy ©NRAO

La supresión de las partículas de las más altas energías fue teóricamente
predicha por Greisen, Zatsepin y Kuz'min (supresión GZK) basándose en elhecho de que el universo está cubierto por el fondo cósmico demicroondas (CMB), la mayoría proveniente del Big-Bang. Los rayoscósmicos de alta energía colisionan con el CMB y pierden energía tras
recorrer 150 millones de años luz (50 Mega parsec), hasta que su energía es
reducida a 4x10¹9 eV (hasta ahora la teoría de relatividad especial deEinstein es válida a cualquier energía y en cualquier lugar del universo).

AvanceMódulo Experimental
Japonés “Kibo” (JEM)

Dirección esperada del origen de laspartículas de ultra alta energía (1000
eventos con JEM-EUSO). Múltiples
grupos de eventos juntos, pueden
indicar su posible origen

Exploración de neutrinos a las más altas energíasMonitorear la iluminación de la atmósfera para todo el planeta

Los neutrinos rara vez interactúan con la materia y no están sujetos alcorte GZK. Ningún neutrino a tan altas energías ha sido observado hasta
hoy debido al bajo rendimiento con la limitante de la masa del detector.
Neutrinos de ultra alta energía serán observables con JEM-EUSO ya quela atmósfera terrestre nos da una masa de detección suficientemente
grande para detectar unos pocos eventos por año.

JEM-EUSO puede detectar eventos de iluminación
transitorios en el cielo nocturno: ejemplos de estos
son descargas eléctricas, meteoritos, o resplandor delaire. Las descargas eléctricas ocurren entre las nubes
y la tierra. Algunos de los eventos más asombrososde iluminación son las descargas de gran escala en lo
alto de la atmósfera, llamadas Blue-jets, sprites, yemisiones de luz y perturbaciones de muy baja
frecuencia causados por fuentes de pulso
electromagnético . Estos eventos salen de las nubes
hacia el espacio exterior. La frecuencia y en donde
ocurren será monitoreado, para ayudar a la
exploración de las causas de estos fenómenos. Los
meteoritos son sólidos pequeños del espacio que Una descarga interesante:llegan a la atmósfera terrestre. Observaciones de su Fenómeno de disperción zanahoria.
tamaño y espectro de fluorescencia nos enseñaran Photo provided by Koji Ito(Suginami-ku, Tokyo).
acerca de su asteroide madre, y otras fuentes en elsistema solar.

El acelerador de partículas más grande construido por el hombre, ElLHC (Large Hadron Collider), comenzó a funcionar en el 2008. Puede
generar partículas de altas energías para experimentar con la física
fundamental.Los rayos cósmicos de las más altas energías descubiertos
hasta ahora tienen energías de laboratorio que son de 3 órdenes demagnitud más altas. Las partículas estudiadas por JEM-EUSO son por
tanto las más energéticas que conocemos y son la frontera de la física
fundamental.