Detector de muones
En el ámbito de la astrofísica de altas energías, los rayos cósmicos se consideran uno de los mensajeros esenciales del universo. Cada mensajero aporta una perspectiva única sobre los fenómenos astrofísicos: los fotones ofrecen imágenes directas de objetos lejanos, los neutrinos atraviesan grandes volúmenes de materia sin apenas interactuar, y los rayos cósmicos dan acceso al estudio de mecanismos extremos de aceleración de partículas.
A diferencia de los fotones, que siguen trayectorias rectilíneas y permiten ubicar con precisión sus fuentes, los rayos cósmicos —al estar cargados eléctricamente— son desviados por los campos magnéticos tanto galácticos como extra galácticos, lo que impide rastrear directamente su origen. Sin embargo, su energía, composición y flujo proporcionan pistas valiosas sobre los entornos donde se generaron.
Ilustración de rayos cósmicos © ASPERA/Novapix/L. Bret
Una fracción importante de los rayos cósmicos que llegan a la Tierra tiene origen solar, especialmente durante eventos eruptivos como las eyecciones de masa coronal. No obstante, la mayoría procede de fuentes galácticas situadas dentro de nuestra Vía Láctea. Los rayos cósmicos más energéticos se cree que tienen origen extra galáctico, posiblemente en regiones como cúmulos de galaxias, jets relativistas o incluso en fenómenos todavía desconocidos.
Cuando los rayos cósmicos primarios impactan con átomos de la atmósfera terrestre, se producen partículas inestables como piones y kaones. Estas partículas, al decaer, generan muones y neutrinos.
Los muones tienen una vida media muy corta, de solo 2,2 microsegundos, pero como viajan a velocidades cercanas a la de la luz, y debido a los efectos de la dilatación temporal relativista, una gran parte de ellos logra alcanzar la superficie terrestre antes de desintegrarse. En condiciones normales, se detecta en promedio alrededor de 1 muon por centímetro cuadrado por minuto a nivel del mar, aunque este valor puede incrementarse con la altitud y varía con la orientación del detector.
Gracias al proyecto internacional CosmicWatch, es posible construir un detector funcional con componentes disponibles comercialmente. El diseño, disponible en cosmicwatch.lns.mit.edu, y tiene los siguientes componentes principales:
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Plástico centelleador (por ejemplo, BC412).
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Fotomultiplicador de silicio.
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Microprocesador Arduino Nano.
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Electrónica de acondicionamiento de señal.
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Pantalla OLED y módulo de tarjeta SD.
El principio de funcionamiento es sencillo: cuando un muon atraviesa el plástico centelleador se desencadena una avalancha de fotones de unos 420nm que se detecta con el fotomultiplicador. Este dispositivo genera una señal que, adecuadamente filtrada, amplificada y convertida a digital, se registra con el microprocesador Arduino. Tanto la intensidad de la señal como el tiempo asociado, junto con otros parámetros que se capturan con los correspondientes sensores como temperatura, presión y altitud se guardan en una tarjeta micro SD.
En una pantalla se muestran los datos más relevantes, como por ejemplo la cuenta acumulada de muones y la tasa recibida por segundo.
La fabricación es bastante asequible y aunque algunos componentes requieren soldadura de precisión (especialmente los de montaje superficial), el proceso está bien documentado en vídeos y manuales. El detector es portátil, de bajo consumo, y funciona con alimentación USB.
