En cualquier momento, la atmósfera de la Tierra está bañada por rayos cósmicos de alta energía que han sido expulsados de supernovas y otros fenómenos astrofísicos más allá del Sistema Solar. Cuando los rayos cósmicos chocan con la atmósfera de la Tierra, se descomponen en muones, partículas cargadas queson un poco más pesados que un electrón.
Los muones duran solo fracciones de segundo, y durante su fugaz vida útil se pueden encontrar a través de cada capa de la atmósfera de la Tierra, circulando en el aire a nuestro alrededor y lloviendo en la superficie a un ritmo similar a una llovizna ligera. Una pequeña fracción delos muones pueden incluso penetrar en la superficie de la Tierra y viajar varios kilómetros a través de rocas y hielo.
Ahora los físicos del MIT han diseñado un detector de muones de rayos cósmicos de bolsillo para rastrear estas partículas fantasmales. El detector se puede hacer con partes eléctricas comunes y, cuando se enciende, se ilumina y cuenta cada vez que pasa un muón.construir un dispositivo relativamente simple cuesta solo $ 100, lo que lo convierte en el detector de muones más asequible disponible en la actualidad.
Los investigadores, dirigidos por Spencer Axani, un estudiante graduado en el Departamento de Física del MIT, han diseñado el detector con los estudiantes en mente. Han comenzado un programa de divulgación llamado CosmicWatch, con un sitio web que enumera partes para comprar e instrucciones detalladas sobre cómopara ensamblar, calibrar y hacer funcionar el detector. El equipo estima que un estudiante promedio de secundaria debería pasar unas cuatro horas construyendo un detector por primera vez, y solo una hora construyéndolo por segunda vez.
Una vez en funcionamiento, los detectores se pueden transportar para medir las tasas de muón en prácticamente cualquier entorno. El equipo ha ayudado a suministrar casi 100 detectores a estudiantes de secundaria y universitarios, que han enviado los instrumentos en aviones y globos meteorológicos para medir el muóntasas a grandes altitudes. Los estudiantes también, como ha hecho Axani, han llevado los detectores a la clandestinidad.
"Obtiene una apariencia divertida cuando lleva detectores de partículas al metro, pero lo hicimos en Boston", dice Axani. "Dado que la tasa de muones disminuirá a medida que avanza, colocamos los detectores en una estación de metro para medirqué tan bajo tierra estábamos ".
Los investigadores han publicado la primera versión del diseño del detector en el American Journal of Physics. Los coautores de Axani son el profesor de física del MIT Janet Conrad y el joven Conor Kirby. Los detalles sobre su última versión se pueden encontrar en la página web de CosmicWatch.
Tesoro en la basura
Axani originalmente tenía la intención de construir un pequeño detector de muones portátil como complemento en miniatura para IceCube, un enorme detector de partículas encerrado en hielo, en las profundidades subterráneas del Polo Sur. IceCube está diseñado para detectar partículas subatómicas llamadas neutrinos.
Los científicos del observatorio propusieron que se insertara un pequeño detector de muones en PINGU Precision IceCube Next Generation Upgrade, una matriz propuesta que aumentaría la sensibilidad del detector a los neutrinos de baja energía. Pequeños detectores de muones, enterrados en dicha matriz,sería capaz de etiquetar la posición precisa de los muones, lo que permitiría a los científicos seleccionar esas partículas en su búsqueda de neutrinos.
Axani asumió la tarea de diseñar un prototipo de detector de muones para su uso en PINGU. Los detectores de muones típicos consisten en tubos de fotomultiplicación revestidos con un centelleador, un material que emite luz cuando es golpeado por una partícula cargada. Cuando una partícula como un muón rebotaa través del detector, el tubo de fotomultiplicación multiplica la corriente producida por la luz emitida. De esta manera, incluso un solo fotón puede hacer una corriente lo suficientemente grande como para poder medirla. Esto se usa para determinar si un muón u otra partícula ha pasadoel detector
Si bien la mayoría de los detectores de muones a escala de laboratorio están hechos de fotomultiplicadores grandes y voluminosos e incluso baterías más grandes para alimentarlos, Axani buscó formas de reducir el diseño.
Después de excavar a través de equipos electrónicos desechados en el MIT, encontró los componentes que necesitaba para construir un dispositivo mucho más delgado, que requiere muy poca energía.
También diseñó componentes electrónicos y de software simples para mostrar la cantidad de muones que pasan a través del detector, haciendo que el detector sea un instrumento autónomo de medición y lectura.
Un proyecto toma vuelo
Desde que Axani intentó diseñar un prototipo por primera vez, su proyecto se ha transformado en un esfuerzo de extensión, ya que se dio cuenta de que los componentes utilizados para construir el detector son relativamente comunes, de fácil acceso y fáciles de ensamblar, todas cualidades ideales para la enseñanzaestudiantes de física práctica de partículas.
Él, Conrad y un colega del Centro Nacional de Investigación Nuclear en Polonia, K. Frankiewicz, han reunido kits para estudiantes, que pueden usarse para construir detectores de mano individuales del tamaño de un teléfono celular grande. Cada kit incluye unun centelleador de plástico, un fotomultiplicador de silicio SensL, un Arduino Nano, una pantalla de lectura, una placa de circuito impreso de diseño personalizado y una carcasa impresa en 3D, disponible en un arco iris de colores.
El equipo ha suministrado kits a estudiantes de la Universidad de Varsovia en Polonia, así como de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Missouri, donde los estudiantes han construido una serie de detectores y los han enviado en globos meteorológicos para medir muones a gran alturaLos estudiantes también han llevado los detectores a los aviones para medir los diferentes recuentos de muones en varias altitudes.
"Al nivel del mar, es posible que vea una cuenta cada dos segundos al nivel del mar, pero en un avión a altitud de crucero, esa tasa aumenta en aproximadamente un factor de 50 - un cambio dramático", dice Axani. "tasa puede volver a calcular cuál era la altitud real del avión "
Un grupo de la Universidad de Boston también está investigando las posibilidades de colocar los detectores de muones en cohetes suborbitales, alcanzando altitudes de 100,000 pies.
"Cuando te levantas lo suficientemente alto, sales de la región de producción de muones de los rayos cósmicos, y puedes comenzar a ver la rotación, donde las tasas de muones aumentan a cierta altitud y luego comienzan a disminuir más allá de cierta altitud", Conraddice.
Finalmente, a los investigadores les gustaría aplicar su detector de bolsillo como un medio de tomografía de muones, una técnica que utiliza la distribución de muones para crear una imagen tridimensional de la cantidad de material que rodea un detector. Los científicos en el pasado han utilizadoinstrumentos de tomografía de muones, como rayos X o tomografías computarizadas, para descubrir estructuras geológicas, la más famosa de las cuales fue un esfuerzo en la década de 1960 para buscar cámaras ocultas en la Pirámide de Chephren, en Giza.
"Eso es algo que me gustaría probar en algún momento, tal vez mapear la oficina en el piso sobre mí", dice Axani. "Por ahora me gusta llevar estos detectores en mi maletín y medir la tasa de muones cuandoEstoy viajando."
Los investigadores continuarán ofreciendo kits en el sitio web de CosmicWatch, junto con instrucciones sobre cómo ensamblarlos y aplicarlos. También esperan recopilar comentarios de los estudiantes y educadores que han utilizado los kits.
"Este es un buen ejemplo de cómo la física esotérica puede producir algo que es directamente útil", dice Conrad.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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