Las partículas que no vemos
Alguna vez nos hemos quitado el suéter y escuchamos como algo «truena», también nos ha ocurrido que al agarrar un objeto metálico después de levantarnos de una silla, oímos el mismo sonido. En algunas ocasiones, cuando tocamos a alguien, aparece el mismo sonido y decimos «¡Ay! me diste toques». Bueno, sabemos que ese fenómeno es porque al hacer fricción con el suéter, la silla o algún objeto, «nos cargamos» o «descargamos» eléctricamente y esto ocurre porque nuestros átomos tienen más o menos electrones de los que necesitan. Entonces, cuando agarramos un objeto, la naturaleza busca el equilibrio y cede o toma electrones de ese objeto. Otro fenómeno de intercambio de electrones es cuando llueve; la fricción de moléculas en las nubes y las temperaturas provoca un intercambio de electrones y produce el relámpago. En estos ejemplos hemos hablado de electrones que, aunque no los vemos, los podemos percibir con el sonido o con un destello de luz.
Los rayos cósmicos son otro tipo de partículas que viajan en el universo; se desconoce su origen, pero sabemos que constantemente están llegando a la Tierra, de hecho, mientras estás leyendo estás líneas, ¡los rayos cósmicos te están atravesando! Estos rayos tampoco los podemos ver.
El ojo humano como instrumento de medición
En principio no existe un límite dado para el cual el ojo humano pueda alcanzar a ver objetos desde muy lejos, pues eso depende de diversos factores, por ejemplo, la visión de la persona, el tamaño del objeto, el ambiente, la luz, etc.; sin embargo, para tamaños pequeños sí lo tiene. Nosotros podemos ver los objetos debido a que ellos reflejan la luz. La luz blanca está compuesta de todos los colores. Una manzana es roja, porque sus moléculas absorben la mayor parte de los colores y solo reflejan la luz roja. Las moléculas de una naranja absorben todos los colores y reflejan la luz naranja. Siguiendo este principio, tenemos el color de los objetos. El caso de los objetos negros, es porque no reflejan ningún color y absorben todo, es por eso que cuando usamos prendas negras en un día soleado, nos acaloramos muy rápido. En cambio, los objetos blancos reflejan todos los colores y no absorben, es por eso que las prendas blancas son frescas. Cada color tiene asociado una característica que es la longitud de onda, así es como se diferencia cada color.
Para que se puedan reflejar los colores, es necesario que las moléculas de los objetos sean a lo mínimo del tamaño de la longitud de onda. Por lo cual, si un objeto es más pequeño que la longitud de onda, no refleja la luz. Ni con ayuda de un microscopio se podrá ver, debido a que el microscopio solo aumenta el tamaño del objeto, pero si este objeto no refleja luz, entonces no será visto. Un electrón no tiene dimensiones, por lo cual no refleja luz. Un átomo es mucho más pequeño que la longitud de onda de la luz, así que tampoco refleja, entonces, ¡nadie ha visto un átomo!, no existe foto de él, simplemente se han especulado modelos respecto a lo que se ha conocido.
Si queremos hacer experimentos para «observar» partículas que no podemos ver, necesitamos un instrumento con el cual las partículas interaccionen. Como resultado de esa interacción, sabremos que detectó una partícula.
¿Cómo «observar» partículas?
Debido a que existen partículas que no podemos ver, necesitamos instrumentos que nos ayuden a detectar el paso de ellas. Estos instrumentos son llamados detectores. La gran variedad de partículas como el electrón, los rayos cósmicos, los protones, los fotones, etc., interaccionan de manera distinta con los materiales, es por ello que existen una gran variedad de detectores, los cuales son diseñados para «seleccionar» ciertas partículas. Por ejemplo, un detector del cual han escuchado nombrar para captar rayos cósmicos o fuentes radiactivas, es el contador Geiger. Hablemos de unos detectores en particular: los centelladores sólidos, los cuales, al paso de partículas cargadas, interaccionan con estos (electromagnéticamente) y generan luz azul.
Para captar la luz generada, es necesario colocar en su superficie un fotosensor, el cual es un instrumento que genera una corriente eléctrica cuando recibe luz. De esta manera, cada vez que se tenga una corriente eléctrica o pulso, sabremos que una partícula cargada pasó a través del centellador. Regularmente, se desea captar toda la luz que es generada dentro del centellador, por lo que es necesario forrar con ciertos materiales para evitar fuga de luz o que luz externa entre en el centellador y produzca un pulso falso. Otros tipos de detectores son de gas y sólidos, los cuales, al paso de una partícula (no necesariamente cargada) ionizan el gas y con un campo eléctrico los electrones ionizados son movidos a un ánodo y producen una corriente o pulso.
Estos tres tipos de detectores varían en tamaño y geometría, y dependen del tipo de partículas que se quiere detectar. El conjunto de estos detectores es con lo que se forma un experimento, tal es el caso del Compact Muon Solenoid (CMS), que es uno de los cuatro experimentos más importantes del European Organization for Nuclear Research (CERN, por sus siglas en francés). El diseño de cada experimento busca identificar ciertas partículas para su estudio en la Física.
Una característica muy importante de los detectores es la resolución temporal. Se puede definir como el tiempo de respuesta que tiene un detector para diferenciar dos partículas que viajan separadas una cierta distancia y que atraviesan dicho detector. Por lo general, la resolución temporal es del orden de nanosegundos (1×10-9 s) y/o picosegundos (1×10-12 s).
El detector mexicano MiniBeBe
Un grupo de físicos e ingenieros de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla y del Centro de Investigación de Estudios Avanzados del I.P.N. (CINVESTAV), diseñaron el detector Mini Beam Beam Monitoring detector (MiniBeBe), que formará parte del experimento Multi Purpose Detector (MPD), que a su vez es un experimento del acelerador Nuclotron Ion Collider fAcility (NICA), actualmente en construcción en el Joint Institute for Nuclear Research (JINR), en Dubna, Rusia. MiniBeBe será un detector cilíndrico, el primer detector y el más pequeño de los detectores que conforman el MPD, cerca del punto de colisión (de ahí el nombre Mini). El detector MiniBeBe tendrá un radio de 25 cm y 2.2 m de longitud. Está compuesto de 16 tiras, cada una con 20 plásticos centelladores de la marca BC404.
Los plásticos centelladores solo cubrirán 60 cm de dicha tira. Esta sección es el área efectiva del detector, es decir, solo en esta sección podrá detectar partículas. Para tener una mejor adquisición de luz, se implementarán cuatro fotosensores (SiPMs de marca Hamamatsu) por plástico. De esta manera, se tendrá una respuesta más rápida al paso de una partícula a través de MiniBeBe. Debido a las dimensiones de cada centellador que lo componen y a los cuatro fotosensores, se espera que se tenga una resolución temporal entre 20-30 picosegundos. En toda la historia de los detectores no ha sido construido un detector de este tipo, lo que hace que MiniBeBe sea el primer detector con estas características en ser construido.
La función principal de MiniBeBe será dar la señal para que los demás detectores empiecen a detectar las partículas provenientes de la colisión. Posteriormente, se analizan los datos con las partículas de interés. Dicha señal estará en función de que una colisión cumpla ciertas condiciones, por ejemplo, que los dos haces que colisionarán estén alineados y que un alto número de partículas sean generadas. Es por ello que MiniBeBe debe tener una resolución temporal muy baja.
Componentes de MiniBeBe
El detector MiniBebe tendrá otros componentes, además de los plásticos centelladores, que ayudarán a la obtención de la señal. Estos materiales fueron simulados con el software Geant4 (versión 10.06), programa que permite observar la interacción de radiación con la materia mediante el método de Monte Carlo, sin necesidad de tener todos los materiales de manera física. Los componentes de MiniBeBe son:
- Plásticos centelladores. Anteriormente se mencionó que esta es la parte de detección. El MiniBeBe mandará una señal cuando las partículas atraviesen esta zona. Estarán forrados para evitar que la luz salga y que luz externa entre a estos plásticos.
- SiPM. La luz emitida por los plásticos centelladores es captada por los 4 SiPMs y el primero en captar luz será el que mande la señal. El material con mayor abundancia en un SiPM es vidrio, por lo cual este material se usó para su simulación.
- Tarjeta. Los SiPMs están acoplados a una tarjeta electrónica que se encargará de producir una señal al paso de una partícula por los centelladores. El material simulado fue bakelita. Tiene canales de cobre por los cuales viaja la señal. Se tiene una tarjeta por cada plástico centellador.
4.Conector. Las tarjetas electrónicas estarán acopladas a la tira por medio de un conector; por cada tarjeta se tendrá un conector. Está compuesto principalmente de plástico PVC.
5.Tira. Esta tarjeta electrónica es la responsable de mandar la señal fuera de la zona de colisión, es por eso que su longitud es grande. Al interactuar las partículas provenientes de la colisión con los materiales de los detectores, pueden generar otras partículas que no son provenientes de la colisión, entonces, se dice que se contamina la colisión. Para evitar esta situación no se usan cables, por lo cual la tira fue diseñada con PVC, la cual tiene unos canales de cobre muy delgados que es por donde viaja la señal.
6.Tapa-cubrimiento. Esta es la parte final del detector. Formará parte de su soporte y está simulado con fibra de carbono. Se tiene uno por tira.
En total, el MiniBeBe estará conformado por 320 plásticos centelladores BC404, 1 280 SiPMs SensL, 320 tarjetas y conectores, 16 tiras y tapas. El detector MiniBeBe, como ya se mencionó, ayudará a seleccionar colisiones que cumplan ciertas características para poder mandar la señal a los demás detectores para que tomen datos y de esta manera encontrar el punto crítico de la materia.
Para Saber Más:
Acevedo-Kado, R., Alvarado-Hernández, M., Ayala, A., et al. (2020). The conceptual design of the miniBeBe detector proposed for NICA-MPD. https://arxiv.org/pdf/2007.11790.pdf
Ayala-Torres, M.A. y Montaño-Zetina, L.M. (2020). Cambios de fase, puntos críticos y física de frontera. Saber Más, 9(52). https://www.sabermas.umich.mx/archivo/articulos/453-numero-52/870-cambios-de-fase-puntos-criticos-y-fisica-de-frontera.html
Patiño-González, D. (2017). De Puebla para el mundo: plástico centellador. Cienciamx Noticias. http://www.cienciamx.com/index.php/tecnologia/materiales/16987-puebla-mundo-plastico-centellador
Sánchez-Hernández, A., De la Cruz-Burelo, E. y López-Fernández, R. (2021). Aceleradores y detectores de partículas: tecnología y conocimiento al límite. Conexión CINVESTAV. https://conexion.cinvestav.mx/Publicaciones/aceleradores-y-detectores-de-part237culas-tecnolog237a-y-conocimiento-al-l237mite
Cristian Heber Zepeda Fernández. Cátedra Conacyt en la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla.
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Eduardo Moreno Barbosa. Profesor-Investigador de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla.
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