Cómo los detectores de partículas capturan la hermosa realidad oculta de la materia

En todo momento, las partículas subatómicas fluyen en cantidades insondables a través de su cuerpo. Cada segundo, alrededor de 100 mil millones de neutrinos del sol pasan a través de la uña del pulgar y estás bañado por una lluvia de muones, que nace en la atmósfera de la Tierra. Incluso los plátanos humildes emiten positrones, la contraparte de la antimateria del electrón. Existe todo un universo de partículas, y en su mayoría somos inconscientes, en gran parte porque estas partículas son invisibles.

Cuando supe por primera vez, cuando era adolescente, que existía este mundo incalculable de partículas, no podía dejar de pensar en ello. Y cuando lo pensé, apenas podía respirar. Yo era, para robar una metáfora del escritor David Foster Wallace, un pez que acaba de darse cuenta de que está nadando en el agua. La revelación de que nos estamos cocinando en una sopa de partículas es la razón por la que pasé a estudiar física y, finalmente, a escribir sobre ella.

Para comprender verdaderamente la materia en su nivel más fundamental, las personas deben poder visualizar este mundo oculto. Ahí es donde entran los detectores de partículas. Detectan rastros de los componentes más minúsculos del universo, lo que hace que estos conceptos intangibles sean reales. Además, los detectores de partículas revelan belleza: las partículas dejan atrás elegantes espirales de burbujas, destellos de luz y líneas nítidas de chispas.

Las huellas de las cámaras de burbujas y las cámaras de nubes generalmente debían inspeccionarse a ojo. En esta imagen de junio de 1984, Renee Jones, un escáner de cámara de burbujas que trabaja en Fermilab, mide los detalles de las pistas, incluida la longitud y la curvatura.David Parker / Fuente científica

Como estudiante de física, pasé horas examinando estas impresionantes imágenes en mis libros de texto. Continué construyendo detectores de partículas en la escuela de posgrado y haciendo mis propias imágenes de partículas que se abrían camino a través de nuestro mundo.

Cuando una partícula se mueve a través de un material, deja caer migas de pan que pueden delatar su camino. Esas migas de pan vienen en una variedad de formas: luz, calor o carga eléctrica. “Básicamente, cada detector de partículas que existe busca una o más de esas tres cosas”, dice la física de partículas Jennifer Raaf de Fermilab en Batavia, Illinois. Los detectores de partículas traducen las migas de pan en señales que se pueden registrar y analizar. Tales señales ayudaron a revelar la física del modelo estándar, un logro supremo de la ciencia

que describe las partículas y fuerzas de la naturaleza. También es probable que sean clave en el descubrimiento de la física más allá del modelo estándar.

Con el paso del tiempo, las tecnologías para detectar partículas han mejorado enormemente. Aquí hay algunos tipos de detectores que han hecho visible lo invisible.

A través de una nube

Una de las primeras formas en que los científicos visualizaron las huellas de partículas fue con cámaras de nubes. Desarrolladas hace más de un siglo, las cámaras de nubes están llenas de un gas, a menudo un vapor de alcohol, a punto de condensarse en líquido. Cuando una partícula cargada pasa a través de la cámara, quita electrones del aire en su interior, creando una carga eléctrica que inicia la condensación. Se forma una línea tenue a lo largo del camino de la partícula, como una estela en miniatura.

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Un rastro de partículas en una cámara de niebla a principios de la década de 1930 fue la primera evidencia de un positrón, una partícula cargada positivamente con la masa de un electrón. La pista está curvada debido a un campo magnético que rodeaba la cámara.CD Anderson, cortesía de Emilio Segrè Visual Archives

Los científicos a menudo rodean las cámaras de nubes y otros detectores con un fuerte campo magnético, que dobla las trayectorias de las partículas en curvas o espirales. Las partículas cargadas negativamente se curvan en una dirección, las partículas positivas van en la dirección opuesta. Otros detalles caracterizan aún más a la partícula: la cantidad de curvatura indica el momento de una partícula, por ejemplo.

Las cámaras de nubes revelaron una variedad de partículas previamente desconocidas, incluidos el positrón y el muón, un primo pesado del electrón, en la década de 1930. Estas partículas fueron en su mayoría inesperadas. En ese momento, los físicos apenas se estaban familiarizando con el hecho de que existían partículas además de los electrones y los protones.

Las cámaras en la nube son lo suficientemente simples como para que puedas haz uno en tu propia casa, usando alcohol y hielo seco.

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En esta imagen de 1948, el físico Clifford Butler (centro) está ajustando los instrumentos en una cámara de niebla destinada a rastrear partículas en rayos cósmicos. Estas lluvias de partículas se producen cuando una partícula de alta energía procedente del espacio choca contra la atmósfera de la Tierra.Publicación de imágenes / Hulton Archive / Getty Images

Senderos de burbujas

La década de 1950 fue todo sobre cámaras de burbujas.

Cuando las partículas cargadas pasan a través del líquido en una cámara de burbujas, dejan pequeñas burbujas de vapor, como orbes iridiscentes arrastrando una varita de pompas de jabón. Aunque las cámaras se llenan típicamente con hidrógeno líquido, se pueden usar una variedad de líquidos; uno de los primeros prototipos incluso usaba cerveza. Las cámaras de burbujas podrían hacerse más grandes que las cámaras de nubes y producir pistas más nítidas, lo que permitiría observar más partículas con más detalle.

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Una partícula subatómica llamada kaón se desintegra en otras partículas que dejan distintas espirales en esta imagen de cámara de burbujas de la década de 1970.CERN

En la misma década, los aceleradores de partículas pasaron a primer plano. Estos aceleradores producen haces energéticos de partículas que los científicos pueden chocar contra otras partículas o contra objetivos. Esas colisiones provocan una ráfaga de nuevas partículas. Los científicos enviaron esos rayos a cámaras de burbujas para observar lo que sucedía.

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La Gran Cámara de Burbujas Europea, fotografiada durante la instalación del buque, se puso en marcha en el CERN cerca de Ginebra en 1973.CERN

Las imágenes resultantes no solo fueron científicamente esclarecedoras, también fueron impresionantes: si Raaf se hiciera un tatuaje, dice, podría ser una imagen de una cámara de burbujas. Hasta ahora he resistido la tentación de conseguir tinta.

Pasando a lo digital

Las cámaras de nubes y las cámaras de burbujas tenían un inconveniente. Las pistas se registraban típicamente con fotografías, y cada una de ellas tenía que ser inspeccionada visualmente en busca de algo de interés. Ese proceso fue demasiado lento; impidió que los físicos descubrieran las partículas que podrían aparecer en sólo una o dos de una miríada de fotografías, si acaso. Para encontrar las partículas más raras, “realmente no se pueden mirar imágenes. Quieres tener esa información digitalizada de una manera inteligente ”, dice Sam Zeller, físico de partículas en Fermilab.

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En el detector UA1 del CERN cerca de Ginebra, los cables de alto voltaje registraron la carga eléctrica producida cuando las partículas entrantes desprendieron electrones de los átomos en una cámara llena de gas. En esta pantalla de computadora, un protón y un antiprotón chocaron y se aniquilaron, produciendo nuevas partículas que trazaron caminos a lo largo del detector.Peter IP Kalmus, Experimento UA1 / Fuente científica

Ingrese a la cámara proporcional de múltiples alambres. Inventado en 1968, esta tecnología se basa en una fina matriz de cables de alto voltaje, que registran la carga producida cuando las partículas entrantes desalojan los electrones de los átomos en una cámara llena de gas. Esta técnica podría capturar millones de pistas de partículas por segundo, mucho más de lo que podrían lograr las cámaras de burbujas. Y los datos fueron directamente a una computadora para su análisis. Las cámaras proporcionales de cables múltiples y sus descendientes revolucionaron la física de partículas y llevaron al descubrimiento de partículas como el quark charm y el gluón en la década de 1970, y los bosones W y Z en la década de 1980.

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El detector UA1 del CERN estuvo activo desde 1981 hasta 1990; sus descubrimientos más notables fueron los bosones W y Z, junto con el experimento UA2. Esta imagen muestra una sección del experimento, ensartada con muchos alambres finos, en exhibición en el museo CERN.Mark Williamson / Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Algunos de los detectores modernos más avanzados rastrean su linaje hasta cámaras proporcionales de cables múltiples, como las cámaras de proyección de tiempo de argón líquido. Estos detectores son de alta resolución, lo que significa que los investigadores pueden ampliar los detalles de una interacción y visualizarla en 3-D. Las cámaras de proyección de tiempo de argón líquido serán clave para uno de los próximos experimentos de física de partículas más grandes en los Estados Unidos, el Deep Underground Neutrino Experiment en Dakota del Sur. Debido a que los neutrinos rara vez interactúan con la materia, el experimento exige técnicas de detección tan avanzadas.

Brillando una luz

Los científicos también han ideado métodos para detectar partículas a través de la luz. Cuando una partícula se mueve por encima de un cierto límite de velocidad para un material dado, emite luz, conocida como luz de Cherenkov. Es análogo a un avión que pasa la barrera de la velocidad del sonido y crea un boom sónico. Las partículas cargadas también pueden emitir luz cuando pasan a través de materiales mezclados con ciertos químicos, llamados centelleadores.

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El experimento NOvA en Fermilab utiliza tubos de centelleador líquido para detectar neutrinos que interactúan dentro del detector. En esta imagen de datos del detector, un neutrino, que entra por la izquierda, produce un chorro de partículas cargadas. El neutrino no es visible debido a su falta de carga eléctrica.NOvA / Fermilab

Para detectar las pequeñas cantidades de luz que dejan las partículas individuales, los científicos utilizan tubos fotomultiplicadores, originalmente inventados en la década de 1930, que convierten la luz en señales eléctricas. Estos tubos podrían usarse para captar luz Cherenkov o luz centelleante.

Los detectores de centelleo comenzaron a demostrar su valor en 1956 cuando se utilizó un tanque de centelleador líquido para descubrir el neutrino, que alguna vez se pensó que era completamente indetectable. Los detectores de centelleo líquido todavía son comunes (se utilizan en el experimento de neutrinos NOvA en Fermilab, por ejemplo) al igual que los detectores hechos de tiras de plástico sólido con centelleador mezclado.

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El experimento de neutrinos NOvA en Fermilab utiliza dos detectores, este ubicado en Minnesota, compuesto por cientos de miles de tubos de PVC llenos de centelleador líquido.Justinvasel / Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Poniendolo todo junto

Los detectores modernos de los principales colisionadores de partículas del mundo, como los detectores del Gran Colisionador de Hadrones en el CERN cerca de Ginebra, incluyen un poco de todo. “Es esta cebolla de diferentes tipos de detectores; cada capa es algo diferente ”, dice Raaf.

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Los detectores modernos en colisionadores de partículas, como el experimento CMS (que se muestra) en el CERN, incluyen una variedad de tecnologías para detectar el rocío de partículas de colisiones de alta energía.Maximilien Brice / CERN

Con varios pisos de altura, estas enormes máquinas incluyen una variedad de tecnologías: detectores de centelleo de plástico, detectores Cherenkov, descendientes de cámaras proporcionales de cables múltiples. También suelen incluir detectores hechos de silicio que pueden medir con precisión las pistas de partículas basándose en pequeñas corrientes eléctricas producidas cuando las partículas pasan. Todos estos detectores funcionan en conjunto dentro de un imán muy fuerte. Después de que las partículas chocan en el centro del detector, las computadoras procesan los datos de todas las partes y reconstruyen lo que sucedió en la colisión, trazando los caminos que tomaron las partículas.

Independientemente de la técnica, los fascinantes jeroglíficos subatómicos permiten a los físicos descifrar el idioma nativo de la materia, revelando sus constituyentes y las fuerzas por las que se comunican. «Es bastante sorprendente que puedas ver lo invisible», dice Zeller.

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Esta visualización por computadora de datos del experimento CMS en el CERN cerca de Ginebra muestra los resultados de una colisión de dos protones. El evento puede mostrar un bosón de Higgs transformándose en dos fotones, partículas de luz. Las líneas amarillas son pistas de partículas y los cuadros verdes y azules se relacionan con las energías de las partículas.Thomas McCauley, CMS / CERN

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