Partículas de verdad: construya su propia cámara de niebla Teach article

Traducido por Francisco Barradas-Solas. La física de partículas se ve a menudo como algo que sólo puede hacerse en grandes centros de investigación, fuera del alcance del público general. Francisco Barradas-Solas y Paloma Alameda-Meléndez muestran cómo mediante la ayuda de un detector…

El objetivo de la física de partículas elementales es descubrir los componentes fundamentales de los que todo está hecho e investigar su comportamiento. Aunque puede considerarse como uno de los fundamentos de la ciencia, la física de partículas es a menudo descuidada o mal considerada en la escuela, en parte porque se la percibe como ajena a las cosas con las que tratamos diariamente. Sin embargo,los físicos de partículas detectan y miden las propiedades de electrones, fotones o muones cada día con la misma confianza con la que todos “detectamos” vacas, mesas o aviones. Aún más, los detectores de partículas (por ejemplo en escáneres de tomografía de emisión de positrones, PET) se usan de forma rutinaria en física médica para detectar tumores y estudiar el funcionamiento de los órganos internos.

Mostraremos aquí como llevar la física de partículas al aula usando lo que posiblemente es el tipo más sencillo de detector de partículas, una cámara de niebla de difusión continuamente activa. Esta versión casera consiste simplemente en una pecera herméticamente cerrada llena de aire y vapor de alcohol y enfriada a una temperatura muy baja, que se puede emplear para detectar partículas cargadas, especialmente muones de los rayos cósmicos, si tienen energía suficiente.

Partículas elementales

Las partículas elementales son los elementos más simples de los que todo está hecho. No son sólo los piezas de las que están compuestas la materia y la radiación, sino también dan lugar a las interacciones entre ellas (para más detalles sobre las partículas elementales ver Landua & Rau, 2008). Estas partículas poseen energía y momento lineal, lo que permite que se puedan ver en los detectores. Hablando con precisión, las partículas no pueden verse directamente, sino que su paso a través de los detectores se infiere de los efectos que causan, tales como la ionización (para partículas cargadas). Justamente eso es lo que se hace al observar la estela de condensación que dejan en el cielo los aviones que no podemos ver, y lo que hacemos con nuestra cámara de niebla casera.

La cámara de niebla de difusión continuamente activa

Esta cámara de niebla es, en esencia, una caja herméticamente cerrada que contiene una mezcla de aire y vapor de alcohol. El alcohol líquido se evapora de un depósito y se difunde a través del aire desde la parte superior de la cámara hacia la inferior. Al enfriar la base con hielo seco (dióxido de carbono sólido, que está a una temperatura de unos –79 ºC mientras sublima) se produce un fuerte gradiente vertical de temperatura, de modo que se forma una zona próxima al fondo con vapor de alcohol sobresaturado. Esta capa activa es inestable, al contar con más vapor de alcohol que el que es capaz de mantener. El proceso de condensación del vapor en líquido puede iniciarse por el paso de una partícula cargada con suficiente energía como para ionizar átomos a lo largo de su trayectoria. Estos iones son los núcleos de condensación alrededor de los cuales se forman las gotitas de líquido que dan lugar a una estela.

Montaje y utilización

Materiales

• Contenedor transparente de vidrio o plástico (una pecera, por ejemplo) con una base de más o menos 30 cm x 20 cm y una altura de unos 20 cm (se pueden emplear otros tamaños, pero el resultado podría variar)
• Chapa de aluminio (como de 1 mm de espesor y del mismo tamaño que la base de la pecera)
• Bandeja no muy profunda y algo mayor que la base de la pecera
• Dos lámparas, al menos una de ellas potente
• Tira de fieltro o moqueta (de unos 3 cm de ancho y suficientemente larga como para que pueda rodear todo el interior de la pecera, es decir, de algo más de 1 m de largo)
• Pegamento (no soluble en alcohol)
• Cinta aislante negra y/o cinta americana
• Alcohol isopropílico (isopropanol)
• Hielo seco

Método

1. Pegar una tira de fieltro (que será el depósito de alcohol) alrededor del interior de la pared, junto a la base de la pecera (que es el cuerpo de la cámara). También se puede pegar algo de fieltro al interior de la base de la pecera.
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3. Cortar la chapa de aluminio de modo que coincida lo mejor posible con la boca de la pecera y cubrir una de sus caras con cinta aislante dando lugar a una superficie negra.
4.  
3. Empapar el fieltro con isopropanol (pero no tanto que chorree por las paredes de la cámara).
   Advertencia de seguridad: Haga esto en una sala bien ventilada y recuerde que el alcohol es inflamable.
4. Dé la vuelta a la pecera de modo que su boca se apoye sobre la chapa de aluminio, cuya cara negra debe quedar hacia arriba (para que las trazas de las partículas sean más visibles).
5. Utilice cinta americana o cinta aislante para unir la chapa de aluminio a la pecera por su borde, sellando la cámara herméticamente. Este es el paso más critico y debe hacerse cuidadosamente, ya que la unión se volverá húmeda y muy fría durante el funcionamiento de la cámara.
6. Haga una capa plana de hielo seco en la bandeja y coloque encima de ella la cámara asegurándose de que su base quede horizontal. Para asegurar un buen contacto térmico entre la chapa metálica y el hielo seco evite usar trozos grandes de hielo seco; lo mejor es usar polvo o bloques con caras planas, aunque los granos pequeños funcionan bien.
   Nota sobre seguridad: El hielo seco está a unos –79 ºC por lo que se debe manejar con guantes protectores.
7. Hay que mantener caliente la parte alta de la cámara, por ejemplo mediante una lámpara halógena (o de otro tipo, pero que caliente). Evite utilizar la cámara en un ambiente frío, ya que eso podría impedir que se formara el gradiente de temperatura apropiado, con lo que no se verían trazas.
8. Deje reposar la cámara unos diez minutos hasta que se establezca el gradiente de temperatura. Ilumine lateralmente (no desde encima) el fondo de la cámara con una luz intensa y obsérvelo. Al principio sólo verá caer una fina niebla de alcohol, pero gradualmente deberían aparecer trazas de partículas cargadas bajo la forma de condensaciones alargadas en la niebla. Nota: las traza se ven mejor en una habitación oscura.

Aunque cualquier partícula cargada con suficiente energía, proveniente por ejemplo de la radiactividad ambiental, puede dejar su rastro en la cámara, la mayoría de las trazas se deberán a los rayos cósmicos secundarios, que son partículas creadas cuando otras partículas (sobre todo protones) que vienen del espacio exterior se chocan con la parte superior de la atmósfera. Los rayos cósmicos secundarios viajan a una velocidad próxima a la de la luz y son absorbidos por la atmósfera o se desintegran en vuelo dando lugar nuevas partículas, incluyendo los muones, que pueden alcanzar la superficie terrestre y son fáciles de detectar. Los muones son partículas elementales cargadas muy parecidas a los electrones, excepto por su masa, que es unas doscientas veces mayor.

¿Qué se puede hacer con la cámara?

Si pretendemos que la cámara sea útil de verdad, no podemos limitarnos a mostrarla y describir su funcionamiento. Para complementar la explicación hemos preparado una breve tira cómica^w1 (ver más abajo) escrita en términos sencillos que muestra cómo funciona la cámara e ilustra el origen y la composición de los rayos cómicos a través de la historia de un protón cósmico y sus descendientes.

Acknowledgements

Usamos esta cámara en la escuela con nuestros alumnos de entre 12 y 18 años como parte de un esfuerzo dirigido a que vean las partículas como objetos físicos reales. Ver los rastros visibles que dejan partículas invisibles y compararlos con las estelas que producen los motores a reacción de los aviones (y que responden en buena medida a la misma física) es el primer paso de un proceso que continúa con la introducción de imágenes y datos reales de procesos de física de altas energías en ejercicios y cuestiones que son, por lo demás, estándar^{w2, w3} (Cid, 2005; Cid & Ramón, 2009). Este proceso concluye con el uso escolar de otro instrumento más complejo, un detector de centelleo para rayos cósmicos que permite a los alumnos registrar y estudiar datos por sí mismos (Barradas-Solas, 2007).

Por qué no usar el foro de discusión online de Science in School para intercambiar ideas sobre cómoel usao escolar la cámara de niebla nl sula? Ver: www.scienceinschool.org/forum/cloudchamber

Agradecimientos

Los autores agradecen a la Dra. Eleanor Hayes, editora jefe de Science in School, por su ayuda a la hora de dar la forma final a este artículo.

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