En cualquier momento dado, La atmósfera de la Tierra está bañada por rayos cósmicos de alta energía que han sido lanzados por supernovas y otros fenómenos astrofísicos mucho más allá del Sistema Solar. Cuando los rayos cósmicos chocan con la atmósfera de la Tierra, se descomponen en muones, partículas cargadas que son un poco más pesadas 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 sobre la superficie a una velocidad similar a una llovizna ligera. Una pequeña fracción de muones puede incluso penetrar 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 fabricar con piezas eléctricas comunes, y cuando se enciende, se enciende y cuenta cada vez que pasa un muón. El dispositivo relativamente simple cuesta solo $ 100 para construir, lo que lo convierte en el detector de muones más asequible disponible en la actualidad.

Los investigadores, dirigido por Spencer Axani, estudiante de posgrado en el Departamento de Física del MIT, han diseñado el detector pensando en los estudiantes. Han iniciado un programa de divulgación llamado CosmicWatch, con un sitio web que enumera las piezas para comprar e instrucciones detalladas sobre cómo ensamblar, calibrar, y ejecute el detector. El equipo estima que un estudiante de secundaria promedio 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 muones 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 las tasas de muones a grandes altitudes. Los estudiantes también tienen, como ha hecho Axani, tomado los detectores bajo tierra.

"Te ves raro cuando llevas detectores de partículas al metro, pero lo hicimos en Boston, "Dice Axani." Dado que la tasa de muones disminuirá cuanto más bajes, colocamos los detectores en una estación de metro para medir qué tan bajo tierra estábamos ".

Los investigadores han publicado la primera versión del diseño del detector en el Revista estadounidense de física . Los coautores de Axani son la profesora de física del MIT Janet Conrad y el junior Conor Kirby. Los detalles sobre su última versión se pueden encontrar en la página web de CosmicWatch.

Tesoro en la basura

Originalmente, Axani tenía la intención de construir una pequeña detector de muones de mano como complemento en miniatura de IceCube, un enorme detector de partículas envuelto en hielo, profundo bajo tierra en el Polo Sur. IceCube está diseñado para detectar partículas subatómicas llamadas neutrinos.

Los científicos del observatorio propusieron que se podría insertar 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, enterrado en tal matriz, sería capaz de etiquetar la posición precisa de los muones, permitiendo a los científicos tamizar 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 fotomultiplicadores revestidos con un centelleador, un material que emite luz cuando es golpeado por una partícula cargada. Cuando una partícula como un muón rebota a través del detector, el tubo fotomultiplicador multiplica la corriente producida por la luz emitida. De este modo, incluso un solo fotón puede hacer que una corriente sea lo suficientemente grande como para poder medirla. Se utiliza para determinar si un muón u otra partícula ha pasado a través del detector.

Si bien la mayoría de los detectores de muones a escala de laboratorio están hechos de fotomultiplicadores voluminosos y baterías aún más grandes para alimentarlos, Axani buscó formas de encoger el diseño.

Después de excavar en equipos electrónicos desechados en el MIT, encontró los componentes que necesitaba para construir un dispositivo mucho más delgado, requiriendo muy poca energía.

También diseñó componentes electrónicos y de software simples para mostrar la cantidad de muones que pasan a través del detector, haciendo del detector un instrumento autónomo de medición y lectura.

Un proyecto toma vuelo

Desde que Axani intentó por primera vez diseñar un prototipo, su proyecto se ha transformado en un esfuerzo de divulgación, como se dio cuenta de que los componentes utilizados para construir el detector son relativamente comunes, De fácil acceso, y fáciles de montar, todas cualidades ideales para enseñar a los estudiantes la física de partículas de forma práctica.

Él, Conrad, y un colega del Centro Nacional de Investigaciones Nucleares de Polonia, K. Frankiewicz, han ensamblado kits para estudiantes, que se puede utilizar para construir detectores portátiles individuales del tamaño de un teléfono móvil grande. Cada kit incluye una pieza de 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 3-D, disponible en un arco iris de colores.

El equipo ha suministrado kits a estudiantes de la Universidad de Varsovia en Polonia. así como 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 los muones a grandes altitudes. Los estudiantes también han llevado los detectores a aviones para medir los diferentes recuentos de muones a distintas altitudes.

"Al nivel del mar, es posible que veas 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." A partir de la velocidad medida, se puede calcular la altitud real del avión ".

Un grupo de la Universidad de Boston también está investigando las posibilidades de colocar detectores de muones en cohetes suborbitales, alcanzando altitudes de 100, 000 pies.

"Cuando te elevas lo suficientemente alto, sales de la región de producción de muones de los rayos cósmicos, y puedes empezar a ver la facturación, donde las tasas de muones aumentan a cierta altitud y luego comienzan a disminuir más allá de cierta altitud, "Dice Conrad.

Finalmente, a los investigadores les gustaría aplicar su detector de bolsillo como 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 a un detector. En el pasado, los científicos han utilizado instrumentos de tomografía de muones, al igual que las radiografías o las tomografías computarizadas, para descubrir estructuras geológicas, el más famoso de los 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 para trazar un mapa de la oficina en el piso de arriba, "Dice Axani." Por ahora me gusta llevar estos detectores en mi maletín y medir la tasa de muones cuando estoy de viaje ".

Los investigadores continuarán ofreciendo kits en el sitio web de CosmicWatch, junto con instrucciones sobre cómo montarlos y aplicarlos. También esperan recopilar comentarios de estudiantes y educadores que han utilizado los kits.

"Este es un ejemplo realmente claro de cómo la física esotérica puede producir algo que es directamente útil, "Dice Conrad.