HdC en las aulas: Detectando partículas elementales mediante una cámara de niebla

Este curso, gracias al Programa de Profundización de Conocimientos que puso en marcha el Departamento de Educación, Cultura y Deporte de Aragón, pudimos colaborar con dos institutos para ayudar a formar a futuros investigadores en los institutos de Sabiñánigo (Huesca) IES Biello Aragón e IES San Alberto Magno.

Cada jueves publicaremos los resultados de uno de los grupos de investigación de estos dos institutos, donde comprobaremos como a partir de materiales habituales en un laboratorio de enseñanza, los alumnos han podido investigar sobre temas cotidianos obteniendo resultados muy interesantes, siguiendo el método científico. Estas entradas también le pueden ser de utilidad a algún docente que quiera replicar estos resultados con sus alumnos.

DETECCIÓN DE PARTÍCULAS ELEMENTALES. CONSTRUCCIÓN DE UNA CÁMARA DE NIEBLA.

Autores:

4ºESO: Herrera Escartín, Daniel y Lago García, Unai.

3ºESO: Domínguez Aguilar, Pablo; Echevarría Jimenez, Lola y López Otal, Miguel.

Coordinadores: García Moliner, Carmelo y Moreno Laguarda, Ana Isabel.

Centro: I.E.S. San Alberto Magno (Sabiñánigo). Curso 2012/2013

Introducción y objetivos:

Cuando hablamos de partículas elementales, el hecho de no percibirlas con nuestros sentidos las hace parecer menos reales que un libro o una mesa. Y sin embargo, todos los objetos que nos rodean están constituidos por ellas.

En los Pirineos, a mediados del siglo XX, el Observatorio del Pic du Midi de Bigorre se convierte en un importante centro internacional de investigación sobre los rayos cósmicos y las partículas elementales [1]. En la actualidad, el Laboratorio Subterráneo de Canfranc acoge varios experimentos para la detección de materia oscura y el estudio de la naturaleza de los neutrinos [2].

Nuestro grupo de trabajo ha querido sumarse a esta tradición pirenaica marcándose el objetivo de construir una cámara de niebla de gradiente térmico que permita detectar partículas cargadas.

Metodología

Se trata de construir una caja herméticamente cerrada en cuyo interior hay una mezcla de vapor de alcohol (en nuestro caso isopropanol) y aire. El fondo de la cámara se mantiene tan frío (por contacto con CO₂ sólido, “hielo seco”) que hay una capa con vapor de isopropanol por debajo de su temperatura de condensación, en un estado inestable en el que sólo hace falta una perturbación para que se empiecen a formar gotas de alcohol líquido.

El paso de partículas cargadas con suficiente energía que atraviesan la cámara da lugar a iones que actúan como núcleos de condensación sobre los que crecen las gotas de alcohol, formándose así estelas de niebla, muy similares a las de los aviones en la atmósfera, a lo largo de las trayectorias de las partículas.

Decidimos fabricar tres modelos diferentes propuestos en la bibliografía consultada, referencias [3] y [4]:

Para el primero de ellos (cámara A) se utilizó un acuario de metacrilato de 20 cm de ancho, 30 cm de largo y 20 cm de alto, cinta americana negra, fieltro, una chapa de aluminio y una bandeja de porexpán. La iluminación inicial fue con un tubo fluorescente. Los pasos seguidos en su construcción fueron:

1. Pegamos una tira de fieltro alrededor de la parte superior interior del acuario.
2. Pegamos tiras de cinta americana negra en una de las caras de la chapa metálica para facilitar la visión de las trazas. La cara negra deberá situarse hacia el interior de la cámara
3. Impregnamos el fieltro con abundante isopropanol.
4. Sellamos la cámara con cinta americana.
5. Por último añadimos el hielo seco a la base de porexpán y colocamos la cámara encima.

El segundo modelo (cámara B) fue hecho con un terrario de plástico de dimensiones similares al acuario anterior, burlete, una chapa de aluminio, fieltro y otra base de porexpán. Los pasos para construirla fueron los mismos que en la cámara A, excepto en el sellado, debido a que usamos burlete en vez de cinta americana para cerrarla. Era iluminado con una linterna de las denominadasfrontales.

Para el tercer modelo (cámara C) fue usada una sartén de 30 cm de diámetro como base, un molde de tartas de metal de 28 cm de diámetro y una ensaladera semiesférica de vidrio (también con undiámetro de 28 cm). Para sujetar la bayeta se usaron imanes y para iluminarla, una cinta de diodos LED. El sellado se realizó con burlete Los pasos seguidos en su construcción fueron:

1. Cortamos un trozo redondo de bayeta de cocina, lo pusimos en el fondo de la fuente y lo sujetamos colocando imanes a ambos lados de la fuente.
2. Colocamos burlete en la superficie del molde de tartas que va a estar en contacto con el borde de la ensaladera.
3. Empapamos la bayeta con isopropanol.
4. Rodeamos el exterior de la ensaladera con la cinta de diodos LED.
5. Rellenamos la sartén con hielo seco y colocamos encima el molde de cocina con la ensaladera boca abajo para cerrarla.

Resultados

El miércoles 8 de mayo, a las 16:00 decidimos montar simultáneamente las tres cámaras.

En la cámara A se formó niebla y se observó alguna traza, pero no con la intensidad ni frecuencia que esperábamos. Además, las tiras de cinta americana de la base de aluminio comenzarón a despegarse a los pocos minutos de empezar la observación.

En la cámara B, se observaba a simple vista que ésta no estaba lo suficientemente sellada, y por tanto permitía la entrada de aire a su interior impidiendo la formación de niebla. Además tenía el fieltro pegado en la parte superior, lo que impedía una adecuada visibilidad de la parte inferior donde debían formarse las trazas y tampoco estaba bien iluminada.

La cámara C no formaba suficiente niebla. La sartén y el molde de tartas, en contacto con el hielo carbónico, se cubrían rápidamente de una capa de escarcha. Se trataba de vapor de agua ambiental que se congelaba sobre las superficies enfriadas.

Tras unas dos horas de observación, decidimos tomarnos un tiempo de reflexión para poder averiguar qué podía estar fallando. Quedamos para repetir la experiencia la mañana del 10 de mayo.

Conseguimos conservar el hielo seco todo este tiempo, guardándolo en un congelador a -30ºC.

El viernes 10 de mayo a las 8:00 montamos las cámaras A y C con las siguientes variantes:

1. Las tiras de cinta americana de la cámara A en contacto con la chapa de aluminio se sustituyeron por una capa de AironFix negro. Se mantuvieron para sellar la cámara.
2. Se iluminó la cámara A mediante el potente foco de un proyector de diapositivas.
3. Impregnamos con isopropanol no sólo el fieltro y la bayeta sino también la base de las dos cámaras.

En la cámara C, los resultados obtenidos en esta segunda prueba fueron muy similares a los de la primera, con una “niebla” muy escasa y prácticamente ninguna partícula pese a la buena iluminación que daban los LEDs.

Sin embargo, la cámara A sí funcionó. Durante aproximadamente una hora pudieron verse las trazas dejadas por las partículas. Registramos con vídeo la observación para su posterior análisis. Recargamos la cámara de isopropanol y volvimos a detectar partículas a lo largo de otra hora más.

Conclusiones:

De las tres cámaras de niebla que hemos construido, que sólo una haya podido detectar partículas lo asociamos a las siguientes características: la cámara que funcionó estaba completamente sellada, la placa de aluminio transmitía correctamente el frío del hielo carbónico y el gradiente de temperaturas generado por el CO₂ sólido era el adecuado para que el isopropanol estuviese a una temperatura ligeramente inferior a su punto de condensación.

En la última no hemos estado muy seguros de por qué no ha funcionado. Seguramente estaba bien sellada, pero quizás el fallo esté en la transmisión del frío a la cámara.

Un investigador consultado [5] nos confirmó que las estelas observadas serán casi todas trazas de muones secundarios de la ducha que se produce en la atmósfera. El flujo que se esperaría atravesando una superficie horizontal (más o menos es el caso) es de ~ 1 muon/cm²/min.

Sería por lo tanto interesante efectuar en un trabajo posterior un conteo del número de trazas por minuto y superficie. Esto no lo realizamos porque ya no disponíamos de más hielo seco.

Cómo propuestas para trabajos futuros planteamos estudiar la tasa de muones a diferentes alturas, horas del día y épocas del año.

Bibliografía:

[1] DAVOUST Emmanuel. L’Observatoire du Pic du Midi. Cent ans de vie et de science en haute montagne. CNRS Editions.Paris 2002. ISBN: 2-271-05723-X.

[2] Laboratorio Subterraneo de Canfranc (LSC)

http://www.lsc-canfranc.es/es/inicio.html

[3] «Viaje al corazón de la materia. Física de partículas en el instituto» de Francisco Barradas-Solas (texto) y Alberto Izquierdo Adeva (ilustraciones).

http://palmera.pntic.mec.es/~fbarrada/mapa.html

[4] Barrio Gómez de Agüero, Jorge; López Pérez, Eva; Senkul Gökce; Ergül Seyhan; Thongnueaha Supattra. Cooking muons (o cómo construir cámaras de niebla de muy bajo coste con utensilios de cocina). Artículo Premiado en el I Concurso de Divulgación Científica del CPAN 2010 (Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear, Consolider-Ingenio 2010).

[5] TOMAS ALQUÉZAR, ALFREDO. High Energy Physics Group, Blackett Laboratory, Imperial College, London, UK. Correo electrónico de 11 de mayo de 2013.

Agradecimientos:

Al personal de conserjería del IES San Alberto Magno: Mª Jesús Pérez, Mª Cruz Periz y Angelines Aínsa, por su ayuda con la búsqueda de los materiales necesarios.

*Las fuentes de las imágenes utilizadas que no son propiedad de los alumnos están incluidas como enlace en cada imagen.

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