Construye tu propio detector de partículas

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Artículo publicado por Sarah Charley el 20 de enero de 2015 en Symmetry Magazine

¡Crea una cámara de niebla y observa partículas fundamentales atravesando tu salón a toda velocidad!

La escala de los detectores que se hallan en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es casi inabarcable: pesan miles de toneladas, contienen millones de sensores y dan soporte a programas de investigación para una comunidad internacional de miles de científicos.

Pero los detectores de partículas no siempre son tan complejos. De hecho, algunos detectores de partículas son tan simples que puedes fabricarlos (y manejarlos) en tu propia casa.

La cámara de niebla de difusión sensible continua es uno de esos detectores. Desarrollada originalmente en la Universidad de California, en  Berkeley, en 1938, este tipo de detector usa alcohol evaporado para crear una “niebla” que es extremadamente sensible al paso de las partículas.

Los rayos cósmicos son partículas procedentes del espacio que impactan constantemente contra la Tierra. Cuando golpean la atmósfera terrestre, liberan una lluvia de partículas menos masivas, las cuales caen invisiblemente sobre nosotros.

Cuando un rayo cósmico atraviesa la niebla, crea un rastro fantasmal de esas partículas que es visible al ojo desnudo.

Construir una cámara de niebla es fácil, y apenas requiere unos pocos y simples materiales y pasos:

Materiales:

  • Un recipiente grande de plástico transparente o cristal (como un acuario) con una tapa sólida (de plástico o metal).
  • Fieltro
  • Alcohol isopropílico (al 90% o más. Puedes encontrarlo en una farmacia, o encargarlo a una compañía de suministros químicos. Ponte gafas de seguridad cuando manipules el alcohol).
  • Hielo seco (dióxido de carbono congelado. A menudo se usa en las lonjas o verdulerías para mantener los productos fríos. Usa unos guantes gruesos cuando manipules el hielo seco).

Pasos:

  • Corta el fieltro de forma que tenga el tamaño de la base del acuario. Pégalo al fondo por la parte de dentro (donde normalmente irían la arena y los falsos cofres del tesoro).
  • Una vez hayas colocado y asegurado el fieltro, vierte el alcohol isopropílico hasta que esté saturado. Drena el exceso de alcohol.
  • Coloca la tapa sobre el hielo seco, de forma que quede plano. Sería recomendable meter el hielo seco en un contenedor o caja, para que quede más estable.
  • Dale la vuelta al acuario, quedando el fondo cubierto por fieltro arriba, y coloca la boca sobre la tapa.
  • Espera unos 10 minutos… Luego, apaga las luces e ilumina el acuario con una linterna.

Cámara de niebla

¿Qué sucede en el interior de la cámara de niebla?

El alcohol absorbido por el fieltro está a temperatura ambiente, y lentamente se evapora en el aire. Pero, a medida que el alcohol evaporado cae hacia el hielo seco, se enfría y trata de volver al estado líquido.

El aire que está cerca del fondo del tanque está ahora supersaturado, lo que significa que está justo por debajo de su punto de condensación. Y, de la misma forma que las moléculas de agua se aferran a las hojas de hierba en las frías mañanas de otoño, el alcohol atmosférico formará gotas similares en todo aquello a lo que pueda aferrarse.

¡Partículas, manifestáos!

Cuando una partícula atraviesa a toda velocidad tu cámara de niebla, choca contra las moléculas atmosféricas y les quita alguno de sus electrones, convirtiendo estas moléculas en iones cargados. El alcohol atmosférico se ve atraído por estos iones y se une a ellos, formando las minúsculas gotitas.

Las líneas resultantes tienen el aspecto de las estelas de condensación dejadas por los aviones, unas alargadas líneas que marcan el camino de la partícula a través de tu cámara de niebla.

¿Qué puede decirse a partir de estas líneas?

A través de tu cámara de niebla podrían pasar muchos tipos distintos de partículas. Puede que sea difícil de ver, pero realmente puedes diferenciar entre los tipos de partículas basándote en el rastro que dejan tras de sí.

Trazos gruesos y cortos

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Lo siento, no es un rayo cósmico. Cuando veas estas líneas cortas y gruesas, están viendo átomos de radón atmosférico expulsando partículas alfa (un cúmulo de dos protones y dos neutrones). El radón es un elemento radiactivo que se da en la naturaleza, pero su concentración en el aire es tan baja que es menos radiactivo que la mantequilla de cacahuete. Las partículas alfa que se generan a partir de los átomos de radón son grandes y de baja energía, de ahí este rastro corto y grueso.

Un rastro largo y recto

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¡Felicidades, tienes muones! Los muones son los primos más pesados del electrón, y se producen cuando un rayo cósmico impacta con una molécula de las capas altas de la atmósfera. Debido a su gran masa, los muones atraviesan el aire dejando un rastro recto y claro.

Patrones curvos y en zig-zag

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Si el rastro observado es como el que sigue un turista perdido en una ciudad extranjera, lo que estás observando es un electrón, o un positrón (el gemelo de antimateria del electrón). Electrones y positrones se crean cuando los rayos cósmicos chocan con las moléculas atmosféricas. Son partículas ligeras, y van dando botes con cada impacto contra las moléculas del aire, dejando esos patrones curvos y en zig-zag.

Caminos bifurcados

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Si el rastro se bifurca, ¡enhorabuena! Acabas de presenciar la desintegración de una partícula. Muchas partículas son inestables y decaerán en partículas más estables. Si ves que el camino se bifurca, ¡estás observando la física en acción!

Por último, por si ha quedado alguna duda, os dejamos este vídeo explicativo del proceso.

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