Un detector de 100 dólares puede detectar partículas invisibles que caen desde el espacio

Muchas de estas partículas están vinculadas a los rayos cósmicos, partículas extremadamente energéticas que pueden provenir de la explosión de estrellas y otros eventos violentos más allá de nuestro sistema solar. Cuando los rayos cósmicos chocan contra átomos en lo alto de la atmósfera terrestre, crean lluvias de partículas secundarias. Entre ellos se encuentran los muones, que pueden viajar a través de la atmósfera e incluso pasar a la clandestinidad.

Spencer Axani, profesor de física de la Universidad de Delaware, ha desarrollado un dispositivo llamado CosmicWatch que facilita la detección de estas partículas que de otro modo serían invisibles. Actualmente, la tecnología la utilizan todos, desde estudiantes de secundaria hasta investigadores profesionales.

Un detector de 100 dólares para partículas cósmicas invisibles

CosmicWatch tiene aproximadamente el tamaño de una caja de galletas de animales. Construido con componentes electrónicos que cuestan alrededor de 100 dólares, el detector se enciende y registra un conteo cada vez que un muón lo atraviesa. La información se almacena para que los usuarios puedan descargar y analizar los datos más tarde.

El dispositivo se creó originalmente como una forma económica de introducir a los estudiantes en la física de partículas. Desde entonces, CosmicWatch también ha encontrado un papel en la investigación astrofísica internacional.

“El detector CosmicWatch nos permite hacer más física a un costo dramáticamente menor, en una forma compacta y portátil, abriendo la puerta a muchos nuevos tipos de experimentos y oportunidades de contacto”, dijo Axani.

Lo que los muones pueden revelar sobre el universo

Los científicos estudian los muones porque pueden proporcionar pistas sobre algunos de los eventos más poderosos del cosmos, incluidas supernovas, explosiones de rayos gamma y blazares. Midiendo los muones, los investigadores pueden estimar las propiedades del rayo cósmico original, incluida su energía, masa y dirección.

El flujo de muones también ha desempeñado un papel importante en la historia de la física. A principios de la década de 1940, las mediciones de estas partículas proporcionaron una de las primeras confirmaciones experimentales de la teoría de la relatividad especial de Einstein.

Los muones también son útiles para estudiar objetos en la Tierra. Las partículas pueden viajar a través de materiales sólidos como paredes, rocas o personas sin causar daños. Debido a que dejan un rastro de energía detectable, los científicos pueden usarlos para obtener imágenes de la estructura detrás de grandes cantidades de materia. En 2016, la tecnología de muones descubrió un corredor desconocido en la Gran Pirámide de Giza.

El desafío es que los detectores de muones convencionales suelen ser voluminosos y costosos. Esto limita tanto los experimentos que los investigadores pueden realizar como el número de escuelas que pueden brindar a los estudiantes acceso práctico a la tecnología.

“Un típico curso universitario de laboratorio de física utiliza un estante electrónico del tamaño de una estantería para medir los muones”, dijo Axani.

Cómo empezó CosmicWatch

Axani creó CosmicWatch en 2017 mientras era estudiante de posgrado en el MIT. Su objetivo original era construir un detector de muones compacto y energéticamente eficiente para su uso en el observatorio IceCube en la Antártida.

IceCube es un detector masivo enterrado bajo el hielo que busca neutrinos, otro tipo de partícula subatómica. Un detector de muones es útil porque ayuda a los investigadores a distinguir los muones de los neutrinos que intentan identificar.

A medida que se desarrolló el proyecto, Axani se dio cuenta de que la misma tecnología podía hacerse portátil y lo suficientemente económica para uso educativo. CosmicWatch luego evolucionó hasta convertirse en una herramienta de divulgación para enseñar física de partículas.

Luego de incorporarse a la facultad de la UD en 2022, Axani continuó perfeccionando el diseño. Acaba de lanzar la tercera versión de CosmicWatch. Mejoras descritas en un artículo del Revista de instrumentación en octubre permite que el nuevo detector controle su entorno, tolere altos niveles de radiación y recopile datos más rápido.

“Aunque estudié los rayos cósmicos, no aprecié completamente la rica física detrás del trabajo de estos detectores para ‘ver’ realmente el mundo y la producción de partículas atmosféricas”, dijo Masooma Sarfraz, estudiante de doctorado en el laboratorio de Axani y autor principal del artículo de la revista. “Para un estudiante como yo que trabaja en ideas teóricas, esta fue una oportunidad perfecta para sumergirse en el lado experimental. También conecta muy bien con mi trabajo actual de investigación más amplio sobre la física de partículas”.

De la investigación de la materia oscura a los vuelos espaciales

El último diseño de CosmicWatch es muy adecuado para calibrar detectores a gran escala. Actualmente se utiliza en el experimento NuDot en la UD y en el detector de materia oscura Coherent CAPTAIN-Mills (CCM) en Los Alamos, Nuevo México.

Los investigadores también están desarrollando otra versión que podría medir el rayo cósmico primario a bordo de cohetes y naves espaciales.

A pesar de su creciente papel investigador, la educación sigue siendo una parte importante de CosmicWatch. En la UD, Axani utiliza el detector para enseñar física de partículas, nuclear y astrofísica. Los estudiantes ensamblan los dispositivos ellos mismos y adquieren experiencia con la electrónica de alta velocidad antes de utilizar los detectores terminados en sus experimentos de diseño.

Musarate Shams, estudiante de doctorado en el programa de ingeniería y ciencia cuántica, modificó su propio CosmicWatch añadiendo sensores de temperatura y presión. Su propósito era estudiar los rayos cósmicos en la atmósfera superior de la Tierra.

En mayo, el detector viajó a bordo de un globo de gran altitud a 100.000 pies, cerca del borde del espacio. Después de examinar las mediciones, Shams pudo mostrar cómo cambia el flujo de rayos cósmicos desde el espacio a medida que aumenta la altitud.

“Es genial construir algo en el laboratorio en un par de días que pueda detectar estas partículas frías a cientos de años luz de distancia”, afirmó.

Ofrezca a los estudiantes una muestra de la física de partículas real.

CosmicWatch también se utiliza fuera de la Universidad de Delaware. Natasha Holmes, profesora asociada de Física Ann S. Bowers en la Universidad de Cornell, hace que los estudiantes de su curso de introducción a la física construyan los detectores y experimenten con ellos.

Dijo que trabajar directamente con la tecnología brinda a los estudiantes una experiencia que se acerca más a la física experimental profesional.

“Los estudiantes parecen muy emocionados de hacer esto que se parece más a lo que realmente hacen los físicos de partículas y los físicos experimentales”, dijo. “Aprenden algo de codificación con él y, a veces, rompen sus dispositivos, y luego tenemos que hablar con ellos sobre cómo tener cuidado con su equipo. Es muy diferente de un laboratorio de física típico. Hemos tenido estudiantes que dicen que están haciendo ‘ciencia real’ después de usarlo”.

Una posible red global de detectores de rayos cósmicos

Axani estima que se han construido miles de detectores CosmicWatch desde que apareció la primera versión hace ocho años. Se espera que este número pueda eventualmente aumentar a través de un esfuerzo mundial de “ciencia ciudadana”.

Según esta idea, personas en diferentes partes del mundo podrían medir las tasas de muones locales y enviar sus observaciones a una ubicación central en Internet. Juntas, estas mediciones pueden crear una imagen más amplia de la actividad de las partículas en todo el planeta.

Axani también está desarrollando un sistema detector relacionado que podría ayudar a los grupos de satélites a responder de manera más inteligente a los cambios en su entorno. La tecnología puede permitir que los satélites se comuniquen entre sí sobre las condiciones en el espacio. Si se detecta una erupción solar, por ejemplo, el sistema podría alertar a los satélites cercanos para que corten la energía cuando sea necesario.

Lo que comenzó como un proyecto educativo económico se ha extendido ahora a muchas áreas de la física avanzada, algo que Axani no esperaba inicialmente.

“Aunque comenzó como un programa educativo, ha encontrado uso en muchos campos diferentes de la física”, dijo Axani. “Es muy bueno.”