Cazando partículas subatómicas

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Andrés M. García-Verdugo Delmas¹

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Martínez Charif, Alejandro²

Pérez Soldevilla, Javier²

Robres Gómez, Marcos²

Arruga Sanmartín, Eduardo²

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Profesor de Física y Química jubilado¹ y Exalumnos²

del IES Tomás Mingot (Logroño)

I - INTRODUCCIÓN

El proyecto:

¡Cazando Partículas!

Cómo detectar e identificar partículas subatómicas

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Una actividad extracurricular desarrollada por el grupo de cuatro alumnos de 1º de Bachillerato CT, con su profesor de Física como coordinador; los autores de esta comunicación, con el objetivo de profundizar en el estudio del tema y presentarlo en una exposición de divulgación científica.

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Este proyecto nos acerca a el mundo de la física de partículas y su detección, incluyendo la creación de nuestros propios detectores, las cámaras de niebla que nos permitieron observar la emisión de partículas subatómicas libres procedentes de la radiación de fondo ambiental y de algunos objetos comunes.

II - OBJETIVO Y ESTRUCTURA DEL PROYECTO

Objetivos de desarrollo personal:

1. Aprender más acerca de un contenido del currículo de bachillerato de gran importancia en la física moderna.
2. Diseñar y desarrollar un proyecto tecnológico.
3. Desarrollar hábitos de investigación, trabajo en equipo, redacción y exposición en público y vivir la experiencia de la divulgación científica.

Objetivos específicos :

1. Reunir información, acerca de las partículas subatómicas y los métodos para su detección.
2. Construir una cámara de niebla capaz de detectar el paso de partículas subatómicas procedentes de la radiación de fondo y otras fuentes naturales o artificiales próximas.
3. Provocar la aparición e identificar diferentes tipos de partículas subatómicas en la cámara y dejar constancia registrándolas en vídeo.
4. Exponer el resultado al público.

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2.1- Objetivos del proyecto

2.2- Fases del proyecto

I - Fase teórica y descriptiva

Descripción, clasificación y propiedades de las partículas subatómicas

Detección e identificación de partículas: detectores, aceleradores, colisionadores

II - Fase tecnológica y experimental

Diseño y construcción de una cámara de niebla

Detección de partículas del ambiente y de alguna fuente radiactiva común

III - Fase divulgativa y expositiva

Confección del panel para la exposición

Disposición de los contenidos, productos y materiales elaborados para el stand de la exposición

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II - OBJETIVO Y ESTRUCTURA DEL PROYECTO

3.1.- Qué son y dónde están

III - LAS PARTÍCULAS SUBATÓMICAS

Los protones, neutrones y electrones que forman los átomos constituyen la práctica totalidad de la materia que nos rodea, pero también podemos encontrar partículas subatómicas libres, como en la radioactividad natural o los rayos cósmicos presentes aquí y ahora, e incluso pueden crearse en colisiones de alta energía en los aceleradores de partículas.

La materia que nos rodea está formada por átomos constituidos por partículas subatómicas de dimensiones mucho menores.

Algunas como los electrones son elementales o indivisibles, otras como los protones y neutrones del núcleo atómico, son agregados de otras partículas elementales (quarks).

El modelo estándar es el marco teórico que describe las partículas que componen la materia, sus propiedades y el modo en que interaccionan entre ellas.

Estas partículas libres pueden ser detectadas e identificadas mediante diferentes tipos de detectores de partículas

3.2.- Clasificación. El modelo estándar

III - LAS PARTÍCULAS SUBATÓMICAS

El Modelo Estándar de la Física

• Es una teoría sobre la naturaleza de la materia desarrollada a partir de la década de 1970.
• Identifica las partículas elementales que forman la materia y especifica cómo interactúan.
• En la actualidad está verificada experimentalmente la existencia de todas las partículas predichas así como sus interacciones, con la excepción de la gravitatoria.
• Hasta el momento se considera el marco teórico más coherente y justificado para el entendimiento de la materia.

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• Las partículas de la materia (fermiones) (6 quarks y 6 leptones) forman tres generaciones según su cantidad de masa-energía. La materia ordinaria está formada por las partículas de la 1ª generación (u, d, e^-, ν_e), las de menor masa.
• Las partículas de la materia interaccionan entre ellas mediante cuatro clases distintas de interacciones: gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil. La interacción entre dos partículas se materializa por el intercambio entre ellas de partículas mediadoras (bosones)
• Toda partícula tiene como propiedades características la carga eléctrica q, la masa m y el espín s.
• Por cada partícula de materia (fermión) existe una correspondiente antipartícula igual pero de carga opuesta. Los bosones son su propia antipartícula.
• Las partículas pueden ser leptones (elementales) como el electrón, o hadrones (combinaciones de dos o tres quarks elementales) como el protón o el neutrón. Núcleos atómicos y las partículas alfa son agregados de protones y neutrones.

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3.2.- Clasificación. El modelo estándar

III.- LAS PARTÍCULAS SUBATÓMICAS

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Partículas reales que forman la materia (fermiones). espín = ½

6 Leptones: electrón y su neutrino ( e^-, ν_e ); muón y su neutrino ( μ^-, ν_μ ) ; tau y su neutrino ( τ^-, ν_τ)

6 quarks: arriba y abajo (u, d); extraño y encanto ( s, c) ; cima y fondo (t, b) . Cada quark puede tener 3 ”colores” (RGB), y están asociados de tal forma que el resultado sea una partícula “sin color”

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Partículas virtuales mediadoras en las fuerzas (bosones). espín = 1

8 gluones: (g) (mediadores de interacción nuclear fuerte)

1 fotón: (γ) (mediador en la interacción electromagnética)

3 bosones gauge: ( W⁺, W^- , Z⁰ ) (mediadores en la interacción nuclear débil)

1 gravitón (g) (mediador en la interacción gravitatoria)

1 bosón de Higgs (H) ( provee de masa de todas las partículas elementales)

Antipartículas:

Por cada partícula de materia (fermión) existe una correspondiente antipartícula igual pero de carga opuesta. Los bosones son su propia antipartícula.

3.2.- Clasificación. El modelo estándar

III - LAS PARTÍCULAS SUBATÓMICAS

3.3.- Partículas libres en nuestro entorno

III.- LAS PARTÍCULAS SUBATÓMICAS

• En la radiación de fondo (radiación cósmica y terrestre)
• En las emisiones de materiales radioactivos
• Partículas de más masa: en los rayos cósmicos primarios

o resultado de colisiones de alta energía en aceleradores de partículas.

IV.- DETECTORES DE PARTÍCULAS

• El detector más sencillo, el contador Geiger, emite una señal cada vez que una partícula ionizante lo atraviesa.

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• Las cámaras de niebla y de burbujas muestran además su trayectoria y aportan información de su carga y masa. La cámara de niebla es un dispositivo sencillo que permite detectar las partículas que lo atraviesan gracias a la estela de condensación que producen en una atmósfera sobresaturada de vapor. Con ella podemos “ver” partículas como electrones, antielectrones, protones, muones o partículas alfa.

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• En la actualidad existen potentes aceleradores de partículas, que al hacerlas colisionar liberan suficiente energía como para generar partículas nuevas que de otro modo no existirían. Tras procesar estadísticamente cantidades enormes de datos, sofisticados detectores multipropósito permiten medir con precisión las propiedades de las partículas generadas en la colisión.

4.1- Contador Geiger

IV.- DETECTORES DE PARTÍCULAS

El contador G-M puede contar y medir frecuencia de partículas ionizantes procedentes del exterior que atraviesan su ventana :

partículas alfa (⁴He²⁺), beta (e^-) y fotones γ y X.

El detector de partículas más sencillo. Ideado en 1908 por el físico alemán H. Geiger y perfeccionado en 1928 con su colaborador W. Müller.

Consiste en un tubo conductor hueco (cátodo -) con un fino hilo metálico central (ánodo +) sometidos a una alta diferencia de potencial (1000V). En el interior del tubo hay un gas a baja presión fácilmente ionizable. La ventana del tubo está cerrada con una delgada lámina de mica.

Cada vez que una partícula con carga eléctrica o un fotón de una radiación ionizante atraviesa la lámina de la ventana, ésta ionizará alguno de los átomos del gas , generando un ión positivo y liberando un electrón negativo, que son atraídos respectivamente por el cátodo y el ánodo del tubo, generándose una mínima corriente eléctrica instantánea suficiente para cerrar el circuito y hacer saltar una señal que enciende una luz o emite un sonido. Una señal por cada partícula detectada.

4.2- Cámara de niebla

IV - DETECTORES DE PARTÍCULAS

Los primeros dispositivos capaces de detectar las trayectorias de las partículas ionizantes y facilitar su estudio.

La primera cámara de niebla fue creada en 1911 por T.R. Wilson (Nobel de Física 1927), y mejorada en 1936 por A. Langsdorf, sustituyendo la expansión del vapor de un líquido volátil contenido en su interior por la creación de una atmósfera sobresaturada del mismo mediante un fuerte gradiente de temperatura.

Cualquier partícula cargada que atraviese este vapor, dejará un rastro de iones que provocarán la formación de una estela de condensación similar a las que trazan los aviones en el cielo.

El grosor, la longitud y forma de la traza. permiten identificar la partícula que ha seguido su trayectoria

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Fotografía de la primera observación de un positrón en 1932 en una cámara de niebla.

En estas cámaras, se pudo probar la existencia de partículas teóricas hasta entonces desconocidas, como el positrón (primera evidencia de la antimateria) o el muón (primer leptón de otra generación)

4.3- Cámara de burbujas

IV- DETECTORES DE PARTÍCULAS

Este detector de partículas, inventado por D. Glasser en 1952, es una variante mejorada de las cámaras de niebla, sólo que aquí el fluido que encierra es un gas de bajísima temperatura de ebullición (hidrógeno, helio o neón) licuado a alta presión (5 atm) que permanece inestablemente líquido por encima de su temperatura de ebullición (a unos -240ºC).

Este líquido inestable es muy sensible a la perturbación que produce el paso de cualquier partícula ionizante produciendo una estela de finísimas burbujas de vapor. Es justo el proceso inverso a lo que sucede en una cámara de niebla.

La cámara de burbujas Gargamelle , que junto a la cámara BEBC (Big European Bubble Chamber), ambas del CERN, registraron en los años 70 millones de fotografías de eventos subatómicos como el que se muestra en la figura y en las que se descubrieron las partículas mediadoras de la interacción electrodébil (bosones W⁺, W^- y Z⁰) y el comportamiento de los neutrinos.

4.4- Aceleradores de partículas y detectores multipropósito

IV- DETECTORES DE PARTÍCULAS

Para obtener partículas que no están a nuestro alcance en la naturaleza con el fin de investigarlas o aplicarlas en tecnología, se utilizan aceleradores de partículas, que son máquinas complejas en las que se hacen colisionar, entre sí o contra un blanco, partículas aceleradas hasta adquirir muy alta energía. Para esto se requiere:

• Una fuente de partículas
• Un acelerador que les proporcione elevada energía cinética
• Un detector donde realizar la colisión y registrar los productos de la misma
• Un sistema de análisis de datos obtenidos en el detector, que a veces son enormemente numerosos y complejos.

Fuentes de partículas

Las partículas utilizadas habitualmente como proyectiles en los aceleradores son:

• Electrones (e^-): Extraídos de una lámina metálica caliente sometida a alta diferencia de potencial.
• Positrones (antielectrones) (e⁺): por materialización de pares electrón-positrón a partir de rayos gamma de alta energía y su separación en un campo magnético ( γ → e^- + e⁺ )
• Protones (p⁺): Ionizando átomos de H lanzándoles electrones de alta energía.

4.4- Aceleradores de partículas y detectores multipropósito

IV- DETECTORES DE PARTÍCULAS

Aceleradores de partículas

Dispositivos que hacen que las partículas tengan una energía suficientemente alta como para que, cuando choquen, produzcan nuevas partículas.

Para conseguirlo, las partículas cargadas son sometidas a la acción de campos eléctricos y magnéticos para aumentar progresivamente su velocidad.

Primeros aceleradores:

como el Betatrón o el Ciclotrón, y la variante más moderna de éste, el Sincrotrón. Las partículas se aceleran y curvan en una espiral creciente con campos eléctricos y magnéticos. Fueron los primeros aceleradores, No son demasiado grandes y se siguen utilizando actualmente en aplicaciones tecnológicas y en medicina.

Aceleradores lineales:

La partícula cargada se acelera a través de sucesivas placas cargadas por un campo eléctrico alterno de cierta frecuencia. Uno de estos es el SLAC de Stanford (EE.UU.), de 3,2 km de longitud, que consigue energías de 20 GeV, y hace colisionar electrones y positrones

4.4- Aceleradores de partículas y detectores multipropósito

IV- DETECTORES DE PARTÍCULAS

Acelerador circular LHC del CERN

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Aceleradores circulares:

El fundamento es parecido al acelerador lineal, pero es una sucesión de varios aceleradores lineales (aceleran las partículas) e imanes deflectores (curvan su trayectoria), formando un anillo cerrado que permite aumentar la velocidad durante muchas vueltas, con lo que se consigue más energía en menos espacio. Son aceleradores circulares el Tevatrón del Fermilab de Chicago (EE.UU.), que hace colisionar protones y antiprotones a 1 TeV de energía. Así como el antiguo LEP y el actual LHC del CERN de Ginebra (Suiza-Francia) de 7 TeV, con un perímetro de 27 km, en el que colisionan haces de protones de 7 TeV cada uno. Estas energías son ya cercanas a las condiciones que se dieron en el inicio del universo y que permitirán confirmar o desechar las predicciones de las modernas teorías físicas sobre las interacciones y la composición de la materia.

Acelerador circular LHC del CERN

4.4- Aceleradores de partículas y detectores multipropósito

IV- DETECTORES DE PARTÍCULAS

Acelerador circular LHC del CERN

Colisión y generación de nuevas partículas

Haciendo colisionar pequeñas partículas como protones, electrones o positrones, aceleradas hasta velocidades próximas a la de la luz, se pueden generar nuevas partículas de masas muchísimo mayores que las originarias, siempre que se conserva la cantidad total de masa+energía

Detección de partículas. Detectores

Las partículas generadas tras la colisión pueden ser registradas con un detector de partículas instalado en el entorno del lugar de la colisión. Entre estos detectores de partículas podemos distinguir:

• Cámaras de niebla y cámaras de burbujas.

(vistas antes)

• Detectores multipropósito:

Complejas máquinas diseñadas para detectar y analizar simultáneamente un gran número y variedad de partículas y energías. Algunos pueden llegar a ser de complejidad y dimensiones increíblemente grandes, como los ATLAS y el CMS instalados en el LHC del CERN.

• Otros detectores no asociados a aceleradores:

Contadores G-M, Fotomultiplicadores, Detectores de neutrinos.

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Detector multipropósito CMS del LHC del CERN

V- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÁMARA DE NIEBLA: LAS CÁMARAS HELIOS I Y II

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En el interior de la urna se crea una atmósfera saturada del vapor del alcohol que empapa el fieltro. Este vapor se encuentra sometido a un contraste térmico muy fuerte entre su base, a unos - 70ºC y su parte superior, entre 20 y 30ºC. La baja temperatura de la base se puede conseguir poniendo una chapa metálica (aluminio) en contacto con una bandeja de hielo seco (CO2 sólido). Se crea así una zona sobresaturada de vapor frío e inestable sobre la base, que se condensará formando una estela de gotitas ante una mínima perturbación como puede ser el paso de una partícula subatómica que la atraviese. La estela se verá perfectamente con el contraste de la una luz lateral exterior.

HELIOS (Herramienta para el Estudio de Las Interacciones de Orden Subatómico)

V- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÁMARA DE NIEBLA:

LAS CÁMARAS HELIOS I Y II

Cámara HELIOS I

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Se utilizó

para observar

la radiación de fondo

V- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA CÁMARA DE NIEBLA:

LAS CÁMARAS HELIOS I Y II

Cámara HELIOS II

​

Se utilizó

para observar

emisiones de objetos radioactivos

6.1- Origen de las partículas. La radiación de fondo

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VI- DETECCIÓN DE PARTÍCULAS DEL ENTORNO EN LA CÁMARA

Cualquier detector, como un contador GM o un dosímetro indican cierta actividad radiológica aun estando alejados de cualquier fuente radiactiva.

Esta radiactividad ambiental se conoce con el nombre de radiación de fondo, y estamos expuestos a ella continuamente.

• Constituida por un flujo continuo de partículas subatómicas y radiaciones electromagnéticas ionizantes (X , γ)
• Su origen se debe en parte a la radiación terrestre, y en parte a la radiación cósmica.
• Su intensidad varía con la altitud y el entorno geológico
• Es muy baja (0,1 a 3 mSv/año), 1/2 de la que absorbe el cuerpo en un escáner TAC, y 1/50 del límite legal de exposición radiológica de un profesional.

Mapa de la radiación de fondo en España

6.1- Origen de las partículas. La radiación de fondo

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VI- DETECCIÓN DE PARTÍCULAS DEL ENTORNO EN LA CÁMARA

Rayos cósmicos

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Flujo de partículas subatómicas de alta energía procedente tanto del Sol como de otras partes indeterminadas del universo, originadas en el núcleo de las estrellas o explosiones de supernovas.

La mayor parte desviada por el escudo magnético de la Tierra. Una pequeña parte llega hasta la superficie.

Suponen un 18% del total de la radiación de fondo, incluyendo la radiación gamma (γ) que la acompaña.

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Rayos cósmicos secundarios

• Formados principalmente por mesones (Π⁺,Π⁻...), protones (p⁺), muones (μ^-, μ⁺), neutrones (n), electrones (e^-), positrones (e⁺) y neutrinos (ν).
• Los muones, por su penetración y vida media, predominantes en los rayos cósmicos al nivel del mar, por lo que se pueden observar en la cámara de niebla con relativa frecuencia.
• Abundantes neutrinos, casi imperceptibles, no dejan traza.

Rayos cósmicos primarios

• Formados por un 86% de protones, 11% de partículas alfa, 1% de otros núcleos más pesados y 2% de electrones.
• Pueden llegar a ser muy energéticos (>10⁶ TeV).
• Por impacto con las partículas de la atmósfera, se desintegran originando rayos secundarios.

6.1- Origen de las partículas. La radiación de fondo

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VI- DETECCIÓN DE PARTÍCULAS DEL ENTORNO EN LA CÁMARA

Radioactividad de origen terrestre

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Supone el 82% de la radiación de fondo:

• Emisiones del radón originado en la corteza terrestre pero disperso por la atmósfera (60 %).
• Radiactividad de los minerales de la corteza terrestre (22%)
• Actividades humanas (<0,3%)

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Proviene principalmente de las desintegraciones radiactivas de los isótopos producidos en las series de U y Th. La mayor parte se absorbe dentro de las rocas, pero en algunas se produce radón (²²²Rn), que además de radiactivo es gaseoso y se filtra a la atmósfera, llegando a ser el principal responsable de la radiactividad ambiental

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Gráfico: Origen de la radiación normal a la que está expuesta una persona. Además de la radiación de fondo se incluye la que emite el propio cuerpo humano (Interna) y la artificial, debida casi toda a pruebas y tratamientos médicos)

6.1- Origen de las partículas. Otras fuentes

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VI- DETECCIÓN DE PARTÍCULAS DEL ENTORNO EN LA CÁMARA

Otras fuentes emisoras de partículas fácilmente disponibles

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Aparte de la omnipresente radiación de fondo, se puede recurrir a otras fuentes moderadamente radioactivas, fáciles de conseguir y de manipular ocasionalmente sin peligro, para registrar en la cámara las trazas la emisión de las partículas alfa y electrones β que emiten principalmente. Por ejemplo:

• Muestras de algunas rocas o minerales comunes como granito, circón, granates. (Contenido de uranio: uraninita, torbernita, autunita)
• Relojes, aparatos o souvenirs antiguos tratados con pintura fosforescente (contenían radio)
• Camisas para lámparas de gas (contienen torio)

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6.2- Partículas habituales y su procedencia

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VI- DETECCIÓN DE PARTÍCULAS DEL ENTORNO EN LA CÁMARA

Partículas alfa ( α ) − núclido ⁴₂He²⁺

• De las emisiones alfa del radón atmosférico o de algún material radioactivo del interior de la cámara

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Protones ( p⁺) − hadrón

• De origen cósmico

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Electrones ( e^-) y positrones ( e⁺ ) − leptón y antileptón de 1ª generación

• De las emisiones β de la radioacitividad terrestre del fondo
• De algún material radioactivo cercano
• Generados por efecto fotoeléctrico (fotoelectrones)
• De origen cósmico

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Muones ( μ⁻ ) − leptón de 2ª generación

• De la radiación cósmica de fondo

Fotones (γ), neutrones (n), neutrinos (ν) 🡪

¡No dejan trazas!

6.3- Algunos sucesos relacionados

1.- Emisión alfa (α)

^A_ZA^z+ → ^A-4_Z-2B^(Z-2)+ + ⁴₂He^{2+ 226}Rn → ²²²Po + ⁴He

2.- Emisión beta (β^-)

n → p⁺ + e^- + ν_e ⁴⁰K → ⁴⁰Ca + ⁴He (89,28%)

3.- Emisión beta (β⁺)

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p⁺ → n + e⁺+ ν_e ⁴⁰K → ⁴⁰Ar + e⁺+ ν_e (0,001%)

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4.- Captura electrónica

p⁺ + e^- → n + ν_e e^- + ⁴⁰K → ⁴⁰Ar + ν_e (10,72%)

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VI- DETECCIÓN DE PARTÍCULAS DEL ENTORNO EN LA CÁMARA

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6.3- Algunos sucesos relacionados

5.- Aparición de electrón por desintegración de muón

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μ^-→ e^- + ν_μ + ν_e

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6.- Aparición de electrón por colisión de muón con neutrino

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7.- aniquilación o generación de electrón y positrón

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e^- + e⁺ → 2γ 2γ → e^- + e⁺

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μ^- + ν_e → e^- + ν_μ

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VI- DETECCIÓN DE PARTÍCULAS DEL ENTORNO EN LA CÁMARA

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6.4- Tipos de trazas y posibles causas

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VI- DETECCIÓN DE PARTÍCULAS DEL ENTORNO EN LA CÁMARA

Aparición de una traza

Revela el paso a través de la cámara de una partícula subatómica dotada de carga eléctrica. Ésta ioniza algunas moléculas de la atmósfera de su interior, atrayendo a las moléculas del vapor sobresaturado que se condensa dejando una estela de finas gotas de niebla. Si no se introduce otro material en su interior, una cámara de niebla vacía registrará las trazas que dejan las partículas cargadas que constituyen la radiación de fondo.

Características identificativas de una traza

• Longitud: Proporcional al tiempo que permanece la partícula.
• Grosor: Proporcional a su densidad de ionización.
• Trayectoria: Indica su interacción y dispersión en el medio.
• Curvatura en un campo magnético: El sentido indica el signo de la carga de la partícula; el radio, la relación entre su cantidad de movimiento y su carga.

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6.4- Tipos de trazas y posibles causas

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6.4- Tipos de trazas y posibles causas

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VI- DETECCIÓN DE PARTÍCULAS DEL ENTORNO EN LA CÁMARA

Trazas cortas gruesas

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Partículas alfa α (⁴He²⁺)

Son pequeños núcleos atómicos de helio formados por dos protones y dos neutrones (⁴He²⁺).

Proceden de la cadena de desintegración del radón atmosférico local o si es el caso, de algún material de emisión α que se haya depositado en el interior de la cámara. En este caso podría dejar una traza más larga

No proceden de rayos cósmicos, pues necesitaría entrar en la atmósfera con una energía del orden del TeV para poder atravesarla, cosa altamente improbable.

Son partículas de baja energía, voluminosas y muy cargadas, por lo que son muy ionizantes pero de tienen un recorrido muy corto y depositan su energía en un corto espacio, la traza que dejan es muy gruesa, por lo que son las partículas más fácilmente identificables.

Ver trazas

6.4- Tipos de trazas y posibles causas

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VI- DETECCIÓN DE PARTÍCULAS DEL ENTORNO EN LA CÁMARA

Trazas rectas y largas

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Muones (μ-)

Producidos cuando los rayos cósmicos impactan con las moléculas de la alta atmósfera y algunos de los muones producidos llegan hasta la superficie de la Tierra. (el 90% de los rayos cósmicos secundarios son muones)

Debido a su alta masa dejan trazas limpias y rectas.

Poco ionizantes, su traza no se puede distinguir siempre de las de los electrones energéticos.

electrones (e^-) de alta energía

De origen cósmico producidos de la misma forma que los muones.

A igual energía, la traza es más fina que la del muón

Protones (p⁺)

Aparecen ocasionalmente. Provienen de los rayos cósmicos secundarios.

Traza más gruesa de lo normal. A menudo acompañada de cortas y finas trazas laterales debidas a electrones arrancados en su trayecto (rayos delta Δ).

Los protones de alta energía(> 1 GeV) dan trazas muy finas y rectas, comparables a las de electrones muy energéticos y muones. Los de menos de 6 MeV, depositan toda su energía en la cámara y dejan trazas gruesas y rectas, menos luminosas y anchas que las de las partículas α.

Ver trazas

6.4- Tipos de trazas y posibles causas

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VI- DETECCIÓN DE PARTÍCULAS DEL ENTORNO EN LA CÁMARA

Trazas rizadas o en zig-zag

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Electrones (e^-) de baja energía

Producidos en emisiones beta (β^-) de la radiactividad terrestre o procedentes de rayos cósmicos tras sufrir dispersión. Trayectorias con cambios bruscos de dirección, por lo que el alcance no está bien definido.

Frecuentemente son fotoelectrones o electrones Compton (extraídos de la corteza atómica o dispersados por la interacción con un fotón). Algo menos energéticos, siguen trayectorias erráticas.

positrones (e⁺) (antipartícula del electrón)

Ocurren con mucha menor frecuencia.

Producidos en emisiones beta (β⁺) de la radiactividad terrestre o procedentes de rayos cósmicos

Trazas similares a las del electrón. En un campo magnético curvatura opuesta.

Ver trazas

6.4- Tipos de trazas y posibles causas

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VI- DETECCIÓN DE PARTÍCULAS DEL ENTORNO EN LA CÁMARA

Trazas bifurcadas o quebradas

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Forma de “V”:

Si la V es gruesa, son 2 desintegraciones alfa consecutivas.

Si son trazas finas, pudiera ser la materialización de un par electrón-positrón

Forma de “L”:

Desintegración de un muón en un electrón y dos neutrinos,

Una “L” con un brazo un poco más grueso (traza del muón) que el otro (traza del electrón). Los neutrinos no generan traza.

Desintegraciones de partículas

Menos frecuentes pero también probables

Forma de “Y”:

Desintegración de alguna partícula cargada inestable en otras dos, o la colisión de un muón que provoque la liberación de un electrón

Ver trazas

6.4- Tipos de trazas y posibles causas

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VI- DETECCIÓN DE PARTÍCULAS DEL ENTORNO EN LA CÁMARA

No dejan traza

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Ejemplo de identificación de trazas

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Vídeo 11 min of cosmic ray in a cloud chamber (alt.2877 m)

https://www.youtube.com/watch?v=kvS90ZASn_w

Ver

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Fotones (γ), neutrones (n), neutrinos (ν)

Los fotones no dejan rastro en la cámara, pues no tienen carga, pero pueden detectarse indirectamente mediante la presencia de electrones Compton y fotoelectrones, que de hecho son las partículas que se observan con mayor frecuencia.

Si los fotones tienen energías de más de 1,02 MeV, pueden producir pares electrón-positrón, lo que se observa en la cámara como una “V”.

Fotones y neutrinos son abundantes pero indetectables

los neutrones, mucho menos frecuentes, tampoco pueden ser detectados directamente.

VII- DIVULGACIÓN DEL PROYECTO Y PRESENTACIÓN AL PÚBLICO

Además de la exposición oral apoyada por una presentación de diapositivas con texto, fotos y vídeo, se elaboraron diversos materiales y maquetas para exponer en un stand.

Se muestran a continuación.

VII- DIVULGACIÓN DEL PROYECTO Y PRESENTACIÓN AL PÚBLICO

Descripción, clasificación y propiedades de las partículas subatómicas:

• Carpeta con láminas informativas de cada tema.
• Modelo de las partículas elementales del modelo estándar con sus propiedades.
• Modelos de algunas partículas subatómicas comunes como la partícula alfa; hadrones como el protón, el neutrón o el pión y leptones como el muón y el electrón

VII- DIVULGACIÓN DEL PROYECTO Y PRESENTACIÓN AL PÚBLICO

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• Carpeta con láminas informativas de cada tema
• poster explicativo sistema de detección del experimento ATLAS del LHC del CERN.
• Poster para identificación de trazas en cámara de niebla

Detección de partículas: detectores, aceleradores, colisionadores:

• Demostración en tiempo real con un contador Geiger de la presencia de algunas partículas subatómicas libres en el ambiente

VII- DIVULGACIÓN DEL PROYECTO Y PRESENTACIÓN AL PÚBLICO

Diseño y construcción de las cámaras de niebla

Se hizo una demostración de su funcionamiento en un par de ocasiones.

• En la cámara HELIOS I, para observar en tiempo real las trazas que dejan las diferentes partículas procedentes de los rayos cósmicos que llegan en grandes cantidades a la superficie terrestre desde todas las direcciones.
• En la cámara HELIOS II, de menor tamaño, para observar las trazas de las emisiones radioactivas de un mineral de uranio.

VII- DIVULGACIÓN DEL PROYECTO Y PRESENTACIÓN AL PÚBLICO

Detección de partículas del ambiente y alguna fuente radiactiva común:

• Fichas con la foto de la traza y características de las partículas subatómicas más comunes que pueden detectarse en una cámara de niebla.
• Un vídeo y fotos en el ordenador mostrando la aparición e identificación de las trazas de las partículas que se han observado en las cámaras.

cámara HELIOS II

Vídeo 2

cámara HELIOS I

Vídeo 1

VIII- CONCLUSIÓN

• El proyecto fue expuesto ante la comunidad educativa del Centro, y resultó premiado en

la exposición-concurso DIVULGACIENCIA (2018) de la Fundación CajaRioja,

y en el I Encuentro de Jóvenes con Talento (2019) del Programa de Enriquecimiento Extracurricular de la Universidad de La Rioja.

• La realización del proyecto: Cazando partículas! Cómo detectar e identificar partículas subatómicas, cumplió con éxito sus objetivos y superó sus expectativas iniciales, resultando una experiencia muy enriquecedora para sus protagonistas.

• Es posible acercarse a conocer mejor el mundo de las partículas subatómicas y experimentar con su presencia en nuestro entorno habitual sin salir de nuestro laboratorio escolar. La clave está en estudiar un poco los conceptos físicos y técnicos básicos y en disponer de una cámara de niebla sencilla preparada para la ocasión.

IX- REFERENCIAS

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Bibliografía y Referencias

• Alcusa, E., Huero, F. Visualización de trazas y medida de la concentración de tadón atmosférico con la cámara de niebla de diffusion. Laboratorio de Física Nuclear y Partículas. UVEG. Mexico. 2010
• Departament de Física Atòmica, Molecular i Nuclear. Facultat de Física. Laboratorio de Física Nuclear y de Partículas. La cámara de niebla de difusión .Universitat de València (2011).
• Fermilab SLAC (2019). Symmetry. How to build your own particle detector: https://www.symmetrymagazine.org/article/january-2015/how-to-build-your-own-particle-detector
• Fundación CSIC (2010).La cámara de niebla: partículas de verdad. https://www.i-Cpan.es/concurso/ganadores/55CamaraNiebla.pdf
• CERN (2015) How to make your own cloud chamber: https://home.cern/news/news/experiments/how-make-your-own-cloud-chamber
• García-Verdugo, A. (2021) Con F de física y con Q de química. Blogger: https://confdefisyconqdequi.blogspot.com/p/recursos-y-trabajos.html
• VV. AA. (2016). Física - serie Investiga- Bachillerato 2. (11- Física de Partículas). Madrid: Santillana.

Agradecimiento

Al Departamento de Física y Química del IES Tomás Mingot de Logroño (La Rioja) por facilitar los materiales necesarios para esta comunicación y haber acogido la realización de esta experiencia.

Cazando partículas subatómicas

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Andrés M. García-Verdugo Delmas¹

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Martínez Charif, Alejandro²

Pérez Soldevilla, Javier²

Robres Gómez, Marcos²

Arruga Sanmartín, Eduardo²

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Profesor de Física y Química jubilado¹ y Exalumnos²

del IES Tomás Mingot (Logroño)