Muchas partículas subatómicas llegan a la superficie de la Tierra y nos atraviesan constantemente sin que nos demos cuenta. Algunas, como los neutrinos, pueden provenir del universo profundo, otras, como los muones, se generan en la atmósfera debido a rayos cósmicos. Mientras que los neutrinos son muy elusivos como para detectarlos fácilmente, los muones, en cambio, pueden ser detectados con un instrumento que cabe en la palma de la mano.

Muones

Se preguntarán qué es un muón. Un muón es una partícula elemental, es decir indivisible, que tiene la misma carga eléctrica que un electrón, pero posee una masa 207 veces mayor que este. Sabemos de su existencia desde 1936. En ese mismo año, el físico austríaco Victor Hess ganó el premio Nobel por haber demostrado experimentalmente, en 1917, que la radiación aumentaba conforme se elevaba en la atmósfera en su globo aerostático. Concluyó que esta radiación, de la cual los muones son parte, debería tener un origen en el espacio exterior. 

Si los muones no forman parte de la materia ordinaria, ¿por qué nos deberían interesar? Por un lado, a través de ellos podemos tener información sobre el universo, pues son productos secundarios de otras partículas que llegan de más allá de nuestro sistema solar e incluso de nuestra galaxia. Los muones constituyen el 72% de las partículas de origen cósmico que llegan al nivel del mar. Por otro lado, representan un 11% de la radiación total a la que está expuesta una persona a lo largo del año, lo que equivale arecibir la misma dosis de tres radiografías del tórax.Además de lo anterior, los muones ya tienen algunas aplicaciones prácticas que mencionaré más adelante.

Origen

¿Cómo se produce un muón? Si un protón altamente energético, proveniente posiblemente de otra galaxia, llega a la atmósfera terrestre y choca con los átomos del aire, genera diversas partículas (entre ellas piones y kaones), que no viven mucho tiempo y decaen (desaparecen). De los piones y los kaones surgenmuones y otras partículas adicionales.

Estos muones se generan en promedio a una altura de 15 km en la atmósfera. Según la teoría clásica no podrían llegar a la superficie terrestre, pues tienen un tiempo de vida media de sólo 2.2 millonésimas de segundo. Sin embargo, como lo predice la teoría especial de la relatividad de Einstein, ocurre una dilatación del tiempo, pues viajan a una velocidad cercana a la de la luz. Por tanto, sí pueden llegar al nivel del mar antes de decaer.

Detectores

Por una uña de nuestra mano pasa en promedio un muón por minuto. Pero, ¿cómo podemos comprobar eso? Existen diferentes detectores que pueden hacerlo. Algunos son tan grandes como el Observatorio Pierre Auger, en la pampa Argentina, que cubre una superficie de detección mayor que toda Lima metropolitana, pero también pueden ser tan pequeños como para caber en nuestras manos.

¿Cómo funciona este último tipo de detector? Se basa en un bloque rectangular de plástico centellador de 5 cm x 5 cm x 1 cm dentro de una caja protectora de aluminio aislada de la luz exterior. El tipo de material centellador absorbe parte de la energía que los muones dejan al pasar a través de él. Esta energía, re-emitida en forma de luz, es captada por un sensor de silicio, llamado fotomultiplicador, de 6 mm×6 mm. Dicho sensor es muy sensible y eficiente, siendo capaz de detectar muy poca luz. Unos circuitos sencillos y un controlador terminan de procesar la señal, pudiéndose conectar a través de un cable USB a una computadora para guardar los datos.

Formación científica en investigación

En el Grupo de investigación de Altas Energía de la Pontificia Universidad Católica del Perú estudiantes de física de pregrado, están construyendo este tipo de detectores de muones que son portátiles y económicos (cerca de $100). La propuesta y diseño originales [1] vienen de un grupo del Massachusetts Institute of Technology (MIT) con el cual estamos colaborando y nos ha proporcionado varios de sus componentes. En este proyecto educativo del MIT también participan otros institutos a nivel internacional.

De esta manera, en un trabajo experimental los estudiantes aprenden a construir detectores de partículas desde sus elementos más básicos y afianzan conceptos de electrónica y del comportamiento de la materia ante la radiación. Además, usando programas gratuitos de simulación pueden recrear en sus computadoras lo que se espera observar con estos experimentos. Finalmente pueden comparar y verificar sus resultados, entrenándose así en el análisis de la información científica.

Colaboración interinstitucional

Sin embargo, parte de tener un buen detector es que esté bien calibrado para tener una mayor precisión en la medición. Para ello necesitábamos una fuente controlable de partículas cargadas con una energía alta y fija. No fue necesario llevar el detector muy lejos, como a los aceleradores del CERN o Fermilab, ya que para algunos tratamientos de cáncer se usan aceleradores de partículas. Toda esta tecnología desarrollada para que los físicos investiguen partículas subatómicas ahora se emplea en hospitales y clínicas de todo el mundo. Aunque no todas tengan un acelerador de partículas, contábamos con algunas opciones en Lima.  Así fuimos con un grupo de estudiantes muy entusiasmados a usar el aceleradorlineal de electrones de la Clínica Delgado. La colaboración entre instituciones es muy beneficiosa, pues permite el avance de la ciencia con la ventaja, en este caso, de que se pueden realizar los experimentos dentro de nuestro país.

Aplicación del conocimiento

Una posible aplicación práctica de los muones es la tomografía ya que se pueden generar imágenes tridimensionales de volúmenes a través de materiales más densos, pues los muones pueden penetrar más que los rayos X. Ya se han podido realizar “radiografías” de una pirámide de Egipto [2], de cámaras de magma de volcanes para predecir erupciones [3] y de otras estructuras geológicas y civiles [4], así como para detectar material nuclear en estructuras blindadas [5]. También existen propuestas de futuros usos de los muones para investigación en ciencia básica en física de partículas [6] y de materiales[7].

Así, armando este detector portátil, no sólo los estudiantes aprenden y se forman como futuros investigadores, sino que a la vez observan los productos de partículas que llegan a la Tierra desde lugares lejanos trayéndonos información sobre el universo. Finalmente, con un poco de imaginación y diseño también se puede pensar en hacer imágenes tomográficas con estos pequeños detectores.

[1] S. Axani, J. Conrad, C. Kirby. The Desktop Muon Detector: A simple, physics-motivated machine- and electronics-shop project for university students.

arXiv:1606.01196 [physics.ed-ph] (2016). http://www.cosmicwatch.lns.mit.edu/

[2] L. W. Alvarez et al. Search for Hidden Chambers in the Pyramids. Science 167 (1970) pp. 832-839.doi:10.1126/science.167.3919.832

[3] H. K. M. Tanaka, T.Kusagaya, H. Shinohara.Radiographic visualization of magma dynamics in an erupting volcano.Nature Communications 5 (2014) 3381.doi:10.1038/ncomms4381

[4] J. Marteau et al. DIAPHANE: Muon tomography applied to volcanoes, civil engineering, archaelogy. arXiv:1612.03905v1 [physics.geo-ph] (2016)

[5] G.Jonkmans, V.N.P.Anghel, C.Jewett, M.Thompson. Nuclear waste imaging and spent fuel verification by muon tomography. Annals of Nuclear Energy53 (2013) 267-273.doi:10.1016/j.anucene.2012.09.011

[6] Muon Accelerator Program http://map.fnal.gov/

[7] Muon Sources http://muonsources.org/