Introducción
Estimados participantes
Bienvenidos a la componente virtual de la práctica experimental: Trayectoria de partículas mediante la experiencia de la Cámara de Niebla. Diseñado en la el Departamento de Física que le permitirá alcanzar las siguientes metas de aprendizaje
- Reconocer la función que ejerce la Cámara de Niebla como Instrumento de detección de la interacción radiación materia, su importancia en algunos experimentos pioneros de la Física Moderna y la aplicación de sus principios en experimentos actuales .
- Reportar diferentes tipos de eventos correspondientes a distintos tipos de radiación ionizante a partir de las trazas dejadas en una Cámara de Niebla.
Trayectoria de partículas mediante la experiencia de la Cámara de Niebla
Este módulo virtual se compone de cuatro secciones y dos casillas complementarias en las que podrá encontrar:
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Conceptos Fundamentales
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Acontecimientos históricos
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Actividad de aprendizaje
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Cierre y evaluación de calidad
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Recomendaciones
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Ficheros adjuntos
Conceptos Fundamentales
¿Qué es una Cámara de Niebla?
La Cámara de Niebla de Difusión consiste en un recipiente transparente sellado de forma hermética con una mezcla de aire y vapor sobre saturado de alcohol cuyo fondo es enfriado por Dióxido de Carbono sólido conocido como "hielo seco" mientras sublima.
¿Cómo Funciona?
Este tipo de Cámara de niebla funciona agregando alcohol a una funda dentro del recipiente hermético, luego se rellena la base con hielo seco para generar un gradiente de temperatura intenso a lo largo del plano vertical, esto ocasiona que se forme una zona super saturada de alcohol en el fondo del recipiente que es inestable debido a que aloja una cantidad de alcohol mayor a la que puede mantener en condiciones normales. Cuando el recipiente es atravesado por una partícula cargada con energía suficiente para ionizar los átomos en su camino, esos iones crean núcleos de condensación alrededor de los cuales gotitas líquidas del alcohol forman una traza blanca larga y delgada que se disuelve en cuestión de segundos.
Para aumentar la generación de trazas de rayos cósmicos u otras partículas subatómicas, se utiliza una fuente de alto voltaje conectada a la placa inferior de la cámara que genera un campo electrostático que actúa como un dispositivo depurador ocasionando un proceso de precipitación electrostática que recoge partículas excepcionalmente finas que pueden estar suspendidas en el interior de la cámara de niebla, esto contribuye a reducir la resistencia eléctrica del vapor de alcohol.
Un Instrumento simple para visualizar lo invisible
Es posible visualizar partículas nucleares reales que son imposibles de percibir por nuestros sentidos, se puede lograr revelando trazas de rayos cósmicos u otras partículas que constantemente están "atravesando" la tierra. Para poder hacer evidentes esas trazas se requiere de mucha paciencia y un Instrumento de detección simple conocido como la Cámara de Niebla.
Hace tan solo algunas décadas estos detectores fueron usados en los primeros experimentos sobre física de partículas en el CERN.
¿Qué son los rayos cósmicos?
Existe una variedad de partículas que provienen de las estrellas, galaxias y otras fuentes en el universo. Por ejemplo: protones, nucleos de helio y electrones atraviesan el universo constantemente así como también neutrinos y fotones, estas partículas son catalogadas como radiación cósmica. Sus rangos de energía van desde los 109 electrón volts (eV) hasta los 1020 eV. Para comparación: El LHC en el CERN es el acelerador de partículas más largo que existe actualmente, tiene una capacidad máxima de 1013 eV para acelerar protones.
¿Qué son y para que sirven los Muones?
En 1935 el físico japonés Hideki Yukawa postuló la existencia de una partícula aún no descubierta, la cual según sus cálculos debía poseer una masa aproximada de 250 veces la masa del electrón y además serviría como mensajera de la fuerza nuclear fuerte.
Un año después Carl David Anderson y su colega Seth Neddermeyer descubrieron en la radiación cósmica dos nuevas partículas, ahora llamadas Muones.
El μ- posee una carga igual a la del electrón, y su antipartícula el µ+ carga positiva de igual magnitud. Ambas partículas poseen la misma masa; aproximadamente 207 veces la masa del electrón.
Pronto quedó claro que los muones no eran las partículas de Yukawa, debido a que su interacción con los núcleos es muy débil.
En la naturaleza los muones son creados en las partes altas de la atmósfera debido a la colisión de protones (Rayos cósmicos) contra los núcleos de los gases.
Por lo general, esas colisiones generan una gran variedad de partículas, pero los muones son los únicos con una vida media lo suficientemente “longeva” como para alcanzar la superficie terrestre.
Estas partículas son prácticamente electrones pesados con una vida media de 2,2μs que decaen en un electrón y un neutrino.
Visualizando Partículas de Luis David Badilla Oviedo
Acontecimientos históricos y Aplicación actual
La cámara de niebla es uno de los detectores de partículas más antiguos y ha permitido varios descubrimientos en la historia de la física de partículas, también estuvo involucrada en la asignación de dos premios Nobel.
Charles T.R. Wilson (1869-1959)
El objetivo real de este físico escosés era el de estudiar la formación de las nubes y fenómenos ópticos en atmósferas saturadas, sin embargo, a partir de sus resultados pronto comprendió que por accidente había inventado un detector de partículas. Perfeccionó la primera cámara de niebla de "expansión" en 1911 y recibió el Premio Nobel en 1927.
Carl David Anderson (1905-1991)
Este físico estadounidense descubrió el positrón en 1932 y el muón en 1936 junto con su colega Seth Neddermeyer utilizando una cámara de niebla. Recibió el Premio Nobel en 1936 por su experimento innovador: en el que uso alcohol en lugar de agua para formar una atmósfera más sensible al paso de las partículas.
En la siguiente línea de tiempo se puede dar un seguimiento a la historia de la investigación de la radiación cósmica;
Aplicación Actual
El experimento “Cosmics leaving Outdoor Drooplets” (CLOUD), establecido en el Sincrotrón de Protones en el CERN. Utiliza una cámara de niebla especializada que está equipada con una amplia gama de instrumentación externa para monitorear y analizar su contenido.
Todas las condiciones experimentales pueden ser controladas y medidas, incluyendo la intensidad de los rayos cósmicos y trazas de vapores atmosféricos en la cámara que representan niveles de tan solo unas pocas moléculas por trillón.
El sincrotrón de protones proporciona una fuente artificial de rayos cósmicos que permite simular las condiciones naturales entre la superficie terrestre y la estratosfera. Un haz de partículas es emitido a través de la cámara de niebla y sus efectos en la producción de aerosoles o nubes de líquido o hielo dentro de la cámara son recopilados y analizados.
En el 2014 el experimento CLOUD del CERN hizo un gran descubrimiento cuando demostró que vapores de origen biológico emitidos por los árboles que luego son oxidados en la atmósfera tienen un impacto significativo en la formación de nubes que ayudan a enfriar el planeta.
Actividad de Aprendizaje
Asignación
Fundamento: Muchos tipos diferentes de partículas pueden atravesar la cámara de niebla, es posible diferenciarlas en función de la forma de las trazas que dejan a su paso.
Descripción breve del experimento: Con base en la infografía "Visualizando partículas" y el vídeo de una cámara de niebla que se facilita en este Objeto de Aprendizaje, el estudiante deberá:
- Identificar al menos 10 eventos correspondientes a desintegraciones de partículas que aparecen en el video.
- Reportarlos mediante pantallazos señalando el evento al que corresponde cada uno.
Ejemplo de reporte de eventos:
| Fotografía Instantánea del Evento | Tipo de partícula o evento |
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Habilidad por desarrollar: La habilidad procedimental que se pretende desarrollar es la de reportar eventos captados por un dispositivo de detección con base en un criterio personal y en la teoría reportada sobre las formas de las trazas en la cámara de niebla.
Instrucciones:
Tome "pantallazos" de eventos capturados en los videos, elabore un reporte similar al ejemplo presentado en la descripción del experimento y conteste las preguntas de análisis.
Cloud Chamber at S'Cool Lab, CERN from Pei-Ying Lin on Vimeo.
Pregunta de Análisis
¿Cuáles fueron las principales dificultades que se le presentaron para realizar el reporte de los eventos?
Cierre y Evaluación de la Calidad
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