Introducción a la física de partículas y observación (Muon detector)

AUTORES: M. ROCÍO GARCÍA DE LA FUENTE Y AGUSTÍN GONZÁLEZ REDONDO.

Para comenzar este artículo es preciso realizar una breve introducción al modelo estándar de partículas, para intentar comprender el conocimiento científico que yace detrás del proyecto que trataremos de explicar.

El modelo standard (fuente CERN) figura 1.

Desde la década de 1930 los descubrimientos de físicos en todo el mundo han dado lugar a una notable visión de la estructura fundamental de la materia (figura 2): todo en el universo se encuentra hecho de unos pocos bloques básicos llamados partículas fundamentales, gobernadas por cuatro fuerzas fundamentales.

El Modelo Estándar de la Física de Partículas (figura 3) permite comprender como estas partículas y tres de las fuerzas fundamentas están relacionadas entre sí. Desarrollado a principios de la década de 1970, ha explicado con éxito casi todos los resultados experimentales y predijo con precisión una amplia variedad de fenómenos. Con el tiempo y a través de muchos experimentos, el Modelo Estándar se ha establecido como una teoría de la física bien probada.

Toda la materia que nos rodea está hecha de partículas elementales. Estas partículas se agrupan en dos tipos básicos llamados quarks y leptones. Cada grupo consta de seis partículas, que están relacionadas en pares, o «generaciones». Las partículas más ligeras y estables conforman la primera generación, mientras que las partículas más pesadas y menos estables pertenecen a la segunda y tercera generación. Toda la materia estable en el universo está hecha de partículas que pertenecen a la primera generación; así los protones y neutrones, con los que estamos más familiarizados, están compuestos por quarks tal y como se ve en la siguiente figura (Figura 4. estructura de un átomo de Helio).

En cuanto a los leptones están dispuestos de manera similar, en tres generaciones: el «electrón» y el «neutrino de electrones», el «muón» y el «neutrino muon», y el «tau» y el «tau neutrino». El electrón, el muón y el tau tienen carga eléctrica y una masa considerable, mientras que los neutrinos son eléctricamente neutros y tienen muy poca masa, lo que les hace difíciles de detectar, dado que interactúan con la materia.

Existen cuatro fuerzas fundamentales en el universo (figura 5): la fuerza fuerte, la fuerza débil, la fuerza electromagnética y la fuerza gravitacional. Funcionan en diferentes rangos y tienen diferentes fortalezas. La gravedad es la más débil, pero tiene un rango infinito. La fuerza electromagnética también tiene un rango infinito, pero es muchas veces más fuerte que la gravedad. Las fuerzas débiles y fuertes son efectivas sólo en un rango muy corto y dominan sólo a nivel de partículas subatómicas. A pesar de su nombre, la fuerza débil es mucho más fuerte que la gravedad, pero de hecho es la más débil de las otras tres. La fuerza fuerte, como su nombre indica, es la más fuerte de las cuatro interacciones fundamentales. El modelo Estándar incluye las fuerzas electromagnéticas, fuertes y débiles y todas sus partículas portadoras, y explica bien cómo estas fuerzas actúan sobre todas las partículas de materia. Sin embargo, la fuerza más familiar en nuestra vida cotidiana, la gravedad, no es parte del Modelo Estándar, y su efecto a escala microscópica es tan pequeño que no influye en los resultados de éste.

Para explicar el Modelo Estándar de la Física de Partículas, se consideran tres de las cuatro fuerzas fundamentales, que, además son el resultado del intercambio de partículas portadoras de fuerza (figura 3), que pertenecen a un grupo más amplio llamado «bosones». Así, las partículas de materia transfieren cantidades discretas de energía intercambiando bosones entre sí. Cada fuerza fundamental tiene su propio bosón correspondiente – la Fuerza Fuerte es llevada por el «gluón«, une los quarks dentro de los nucleones, la fuerza electromagnética es llevada por el «fotón», magnetismo, y los «bosones W y Z» son responsables de la fuerza débil, desintegración radioactiva. Aunque aún no se ha encontrado, el «gravitón» debe ser la partícula de gravedad portadora de fuerza correspondiente.

La última pieza para completar el Modelo Estándar de Física de Partículas, que no podía explicar el origen de la masa, fue postulada en los años 60 por un grupo de físicos entre los que se encontraban el británico Peter Higgs y el belga François Englert, a la postre galardonados, junto con el CERN, con el Premio Nobel de Física de 2013 y el Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica 2013.

El bosón de Higgs es la manifestación visible del campo de Higgs, donde cualquier partícula que interactúa con él adquiere masa, así cuanto mayor es la interacción con este campo de una partícula, mayor será su masa. Sin embargo, el bosón de Higgs no se puede observar directamente, ya que se desintegra casi de manera inmediata, y es necesario reconstruirlo a partir de las partículas producidas en su desintegración (figura 6), y que pueden ser detectadas en el LHC (Large Hadron Collider) del CERN (figura 7), un gran colisionador donde haces de protones colisionan a velocidades cercanas a la luz, y cuyos productos de desintegración se pueden observar en grandes detectores como CMS (Compact Solenoid Muon, figura 7).

El muón

El muón, como ya se ha visto, es una de las partículas elementales de la naturaleza, no se descompone en otras partículas, y actúa si fuera un electrón pesado e inestable. Fue descubierto en 1937 por C.W. Anderson y S.H. Neddermeyer cuando expusieron una cámara de niebla a los rayos cósmicos, su vida, muy efímera, 2,2 microsegundos, fue medida por primera vez en 1941 por F. Rasetti.

Su masa es muy pequeña, pero casi 200 veces mayor que la del electrón, lo que les permite tener una alta capacidad de penetración, pueden penetrar la roca varios metros antes de detenerse, y aunque muchos se crean en las altas capas de la atmósfera, y pese a su corta vida, pueden atravesarla y alcanzar la superficie de la tierra.

Desde su descubrimiento los muones se han empleado para distintas cosas, como por ejemplo obtener una radiografía de la pirámide de Khfre en Giza, para encontrar cavidades o cámaras ocultas, o imágenes de la estructura de los volcanes para intentar predecir erupciones, o analizar residuos nucleares.

Existen dos fuentes de generación de muones:

  • Una artificial en laboratorios y aceleradores de partículas, para su uso en investigación.
  • Otra natural, procedente de los rayos cósmicos, cuya energía es muy elevada debido a su a gran velocidad, y que emiten, por ejemplo, en grandes erupciones solares.

Los rayos cósmicos que llegan a la atmósfera son principalmente protones y partículas alfa (núcleos de helio), y en menor medida electrones. Algunas de estas partículas interaccionan con la atmósfera, (figura 8) y el campo magnético dando lugar a productos secundarios que alcanzan la superficie terrestre, siendo los muones una porción importante de estos, entorno al 70%, susceptibles de ser detectados mediante diversos métodos.

Métodos de detección de muones

Cámaras de niebla

La cámara de niebla es uno de los detectores de partículas más antiguos, figura 9, y lideró una serie de descubrimientos en la historia de la física de partículas.

El físico escocés Charles T. R. Wilson (1869 -1959) quería estudiar la formación de nubes y los fenómenos ópticos en el aire húmedo. Pero pronto descubrió que por accidente había inventado un detector de partículas. Desarrolló así, la primera cámara de niebla (de expansión) en 1911 y recibió el Premio Nobel en 1927.

Por su parte, el físico estadounidense Carl Anderson (1905 -1991) descubrió el positrón en 1932 y el muón en 1936 usando una cámara de niebla. Aquí fue premiado con Premio Nobel en 1936. Como novedad: usó alcohol en lugar de agua para formar una niebla más sensible.

El funcionamiento de este tipo de detectores, figura 10, se basa en que en la parte superior de la caja el isopropanol se evapora (es decir, existe en forma gaseosa) y desciende lentamente en dirección a la placa inferior. Enfriada a baja temperatura, ya que el vapor de isopropanol es más pesado que el aire. El fondo, muy frío, hace que el isopropanol cree un ambiente llamado sobresaturado, que el alcohol está en forma de vapor, pero a una temperatura a la que el vapor normalmente debería ser líquido. Por lo tanto, se condensará muy fácilmente en forma líquida si algo perturba su equilibrio. Cuando una partícula cargada eléctricamente cruza la cámara, la partícula ioniza el vapor a lo largo de su camino. Lo que es suficiente para iniciar el proceso de condensación, y unas pequeñas gotas de alcohol se forman a lo largo de la trayectoria de la partícula inicial a través de la cámara, y dejando así un rastro visible de su paso.

En cuanto a algunas de las que es posible observar en este tipo de cámara, se muestran a continuación con sus respectivas trazas visibles (fuente S’Cool Lab, CERN):

  • Muon y anti-muon (figura 11): son partículas de alta energía, con un movimiento rápido (rayos cósmicos).
  • Electrón o positrón (figura 12): los electrones rápidos que poseen una alta energía cinética que proceden de los rayos cósmicos no presentan una traza rectilínea, de menor grosor que los muones, dado que no se ven afectados por ningún campo magnético. En cambio, los electrones lentos, procedentes de la descomposición β, presenta una mayor influencia a los campos magnéticos y su trayectoria es curva.
  • Partícula α (figura 13): son partículas procedentes de fuentes de radiación natural, Radón-222, presenta un trayectoria corta y gruesa.

Para construir una cámara de niebla sencilla, figura 14, se necesitan los siguientes elementos:

  • Recipiente transparente de vidrio o plástico con tapa
  • 99% Alcohol isopropílico, para formar la niebla.
  • Material absorbente, fieltro.
  • Placa de color negro, de un metal como aluminio.
  • Linterna muy brillante.

En cuanto a la zona de refrigeración, existen dos posibilidades:

  1. Utilización de hielo seco, CO2 en estado sólido a -78 ᵒC, que hay que manejar con precaución (conviene leer las instrucciones de seguridad del producto, uso de gafas guantes, etc.), colocado dentro de una caja aislada para enfriar la placa de metal de color negro.
  2. Empleo de módulos de refrigeración por efecto Peltier (figuras 15), o termoeléctrico, que se utilizan en sistemas de refrigeración de ordenadores, cuyo esquema de funcionamiento se muestra a continuación (figura 16).

En este caso se necesita, además de los elementos anteriores, los siguientes componentes (figura 17. Esquema general de conexión):

  1. 2 módulos termoeléctricos superpuesta para conseguir bajas temperaturas.
  2. Ventilador de CPU para extraer el calor generado por los módulos.
  3. Fuente de alimentación donde se conectarán tanto los módulos como el ventilador.

Si bien, no es necesario disponer de hielo seco, cuya duración es limitada, la superficie de visualización de partículas es más pequeña, debido al tamaño de estos módulos. Y siempre se deben tener en cuenta las especificaciones de alimentación de los equipos de trabajo (figura 17).

Contadores Geiger

El chisporroteo del contador Geiger ha sido el latido del corazón de la era atómica o el símbolo de la radiación amenazante. En 1928, Hans Geiger (figura 18) y su estudiante de doctorado Walther Müller descubrieron la extraordinaria sensibilidad de su contador de radiación a la radiación alfa, beta y gamma durante sus trabajos en la Universidad de Kiel.

La versión definitiva de Geiger (figura 19. Contador Geiger) permitía detectar muchos tipos de radiaciones ionizantes, no sólo permitía medir el riesgo de contaminación radioactiva, o las dosis de radioterapia que recibe un paciente, también abrió una puerta al estudio de las partículas de alta energía que viajan por el cosmos a velocidades próximas a la luz, fue capaz de detectar lluvias de rayos cósmicos.

En cuanto a su funcionamiento, (figura 20. Esquema de funcionamiento), un contador Geiger es un cilindro relleno de un gas a baja presión, que contiene en su interior un fino cable de Wolframio. El tubo se conecta a una alta tensión, de tal forma que se genera un campo magnético alrededor del tubo. Cuando la radicación ionizante atraviesa el tubo da como resultado un pulso eléctrico que se puede medir, o bien si es amplificado se puede escuchar como un “click” que resulta bastante familiar.

Pero como adaptarlo para la detección de muones procedentes de los rayos cósmicos de alta energía que bombardean constantemente nuestro planeta. Como ya se ha visto, estas partículas (generalmente protones) golpean la atmósfera y hacen que se genere una cascada de partículas secundarias (figura 8). La más energética de ellas es el muón. Debido a la alta energía a velocidad relativista, estas partículas pueden desencadenar un pulso eléctrico medible en dos tubos Geiger-Muller casi simultáneamente, mientras que la radiación de fondo normal y otras partículas sólo activarán los dos detectores al azar y la radiación gamma de fondo no es lo suficientemente energética como para pasar a través de ambos tubos, por tanto, cuando se produce una coincidencia es bastante probable que se trate de un muon.

Para este proyecto se necesitan los siguientes elementos para Arduino, por otro lado, bastante fáciles de conseguir en numerosas tiendas:

  • 2 Kits de contador Geiger Müller para Árduino.
  • 2 tubos Geiger-Muller.
  • Placa Arduino UNO.
  • Una pantalla LCD o display (opcional)

Su montaje es bastante sencillo (figura 21. Conexión de un kit Contador Geiger a arduino), el kit únicamente dispone de los pines de alimentación y una salida digital, que conectaremos a las entradas dedicadas a interrupciones (attachInterrupt()), pines 2, 3 en un placa Arduino UNO (si quisiéramos más contadores deberíamos ir a placas superiores como Arduino Mega), para detectar cuando cada uno de los kit ha recibido una dosis de radiación ionizante.

Una vez montado el sistema, mediante la programación, de la placa Arduino, se pueden contar las coincidencias, y determinar el número de casos en los que un muon ha atravesado los dos tubos Geiger (figura 22. Dispositivo contador de muones y figura 23. Dispositivo contador de muones en funcionamiento).

Para finalizar, y a modo de resumen en este documento se ha realizado un rápido repaso a las teorías modernas de la física de partículas y un acercamiento a los dispositivos de detección más básicos. Y se ha podido comprobar, como es posible que conocimientos complejos, como el contenido del modelo estándar de la física de partículas, pueda ser abordado desde un punto de vista práctico, uniendo así los conocimientos teóricos con proyectos técnicos DIY demostrativos.

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