El detector de superficie, llamado también el “arreglo de superficie” consiste en un conjunto de 1660 detectores individuales. La distancia entre estos detectores es de 1500 metros, con lo que abarcan una superficie de 3000 km². la distancia entre los detectores fue escogida de forma tal que un chubasco atmosférico de energía superior a los 5×10¹⁸ eV, que al llegar a la superficie de la Tierra tiene una extensión de unos 5-10 km llegue a activar al menos 4 o 5 detectores individuales.

Cada unidad de detección (un DS) consiste en un tanque cilíndrico de 3,6 m de diámetro y 1,5 m de altura. Están fabricados en polietileno, por un proceso de rotomoldeo. En su interior contienen 12.000 litros de agua de máxima pureza. El tanque esta herméticamente cerrado y posee un revestimiento de laminado plástico (llamado “liner”) que garantiza que su interior se halle en absoluta oscuridad. Cada detector posee además un sistema de panel solar, baterías y electrónica asociada, que les garantiza un funcionamiento autónomo, prácticamente sin mantenimiento.

Las partículas de un chubasco atmosférico extendido son tan penetrantes que pueden atravesar el tanque sin ser absorbidas por sus paredes. Cuando las partículas atraviesan el agua a muy altas velocidades (para ser precisos, a velocidades superiores a la de la luz en el agua, que es algo menor que la velocidad de la luz en el vacío), el medio emite una tenue luz ultravioleta, que en su mayor parte no es visible para el ojo humano, llamada radiación Cherenkov. La luz Cherenkov es emitida en un cono a lo largo de la dirección de la partícula que lo genera, al igual que una onda de choque de un avión ultrasónico. Se requiere muy alta pureza en el agua de los tanques por dos razones: por un lado, no debe contener contaminantes que absorban la luz Cherenkov, y por otro, debe estar suficientemente libre de bacterias y nutrientes para que no se degrade en el tanque cerrado durante los 20 años que durará el experimento.

El interior del tanque está recubierto por un material de gran capacidad de reflexión y difusión de la luz Cherenkov, que redirige a la luz hacia tres tubos muy sensibles que multiplican la señal recibida, llamados fotomultiplicadores. Si bien la luz Cherenkov producida por un chubasco atmosférico es muy tenue, los tubos fotomultiplicadores son altamente sensibles. Su principio de funcionamiento es de alguna manera inverso al de un televisor o monitor de una computadora: en un monitor, una señal eléctrica es convertida en un haz de electrones que son redirigidos a la pantalla, que contiene un recubrimiento que produce la luz cuando impactan en él los electrones. En un tubo fotomultiplicador, cuando la luz exterior incide sobre la pantalla, que tiene un recubrimiento semiconductor, esta libera electrones hacia el interior del tubo. Una tensión eléctrica acelera esos electrones, haciéndolos impactar contra sucesivas láminas metálicas, a las que les arranca una cascada de electrones, que a la salida del tubo son suficientes para producir un pulso eléctrico detectable.

Una vez que la electrónica del detector registra una señal de los fototubos que supere un cierto umbral, transmite la información del evento a una de las cuatro estaciones colectoras, por medio de un sistema de comunicación inalámbrico de frecuencia de radio. Estas estaciones colectoras a su vez retransmiten la información a la estación central en Malargüe, por un enlace de microondas.

Cuando el detector registra un evento, en la estación central se analiza si los detectores vecinos también observaron algo. De esta manera, un evento queda registrado como una serie de señales tomadas en distintos detectores. Esto permite reconstruir con alta precisión la posición de impacto del chubasco.

La dirección de arribo del rayo cósmico primario (que coincide con la dirección de llegada de la lluvia cósmica) se determina a partir de la diferencia de tiempo de arribo de la lluvia a los distintos detectores. Para ello es necesario determinar tiempos de llegada con una precisión de 1/50 de millonésima de segundo, lo que se logra con un sistema de GPS (sistema de posicionamiento global basado en una constelación de satélites).

La energía del rayo cósmico primario puede deducirse de la energía detectada en cada tanque como luz Cherenkov, y se obtienen los datos comparando las mediciones con simulaciones en computadora de la lluvia y el proceso de detección.