Un detector de $100 revela partículas invisibles que caen del espacio hacia la Tierra

Un nuevo dispositivo de bajo costo, que cuesta aproximadamente $100, se ha convertido en una herramienta innovadora para detectar partículas cósmicas invisibles que constantemente atraviesan la Tierra y, en ocasiones, incluso nuestros cuerpos. Este detector, conocido como CosmicWatch, fue creado por el profesor de física de la Universidad de Delaware, Spencer Axani, inicialmente como un proyecto estudiantil. Sin embargo, su utilidad ha trascendido el ámbito educativo, siendo utilizado en experimentos científicos, misiones en globos y potencialmente en futuras naves espaciales.

Las partículas que detecta este dispositivo están asociadas a los rayos cósmicos, que son partículas extremadamente energéticas originadas en eventos violentos como explosiones de estrellas. Cuando estos rayos cósmicos impactan átomos en la atmósfera terrestre, generan lluvias de partículas secundarias, entre las cuales se encuentran los muones. Estos muones pueden atravesar la atmósfera y penetrar en el suelo.

El CosmicWatch tiene un tamaño similar al de una caja de galletitas y está construido con componentes electrónicos que no superan los $100. Cada vez que un muón pasa a través del detector, este emite un destello y registra un conteo, almacenando la información para que los usuarios puedan descargar y analizar posteriormente los datos. Este dispositivo fue concebido inicialmente como una forma accesible de introducir a los estudiantes en la física de partículas, pero ha encontrado un lugar en la investigación astrofísica internacional.

El profesor Axani comentó: "Los detectores CosmicWatch nos permiten realizar una cantidad significativamente mayor de física a un costo mucho más bajo, en un formato compacto y portátil, abriendo la puerta a nuevos tipos de experimentos y oportunidades de divulgación".

Estudio de muones y su relevancia

Los muones son estudiados por los científicos porque pueden ofrecer pistas sobre algunos de los eventos más poderosos del cosmos, como supernovas y explosiones de rayos gamma. Mediante la medición de muones, los investigadores pueden estimar propiedades del rayo cósmico original, como su energía, masa y dirección. Además, los muones son útiles para estudiar objetos en la Tierra, ya que pueden atravesar materiales sólidos sin causar daños, dejando una traza de energía detectable que permite a los científicos imaginar estructuras ocultas detrás de grandes masas de materia.

La historia de los muones también es significativa en la física. En la década de 1940, las mediciones de estas partículas proporcionaron una de las primeras confirmaciones experimentales de la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein.

El desafío radica en que los detectores de muones convencionales suelen ser voluminosos y costosos, lo que limita tanto los experimentos que los investigadores pueden realizar como el número de escuelas que pueden ofrecer a los estudiantes acceso práctico a esta tecnología.

Axani recordó que "un laboratorio típico de física de pregrado utiliza un estante de electrónica del tamaño de una pequeña estantería para medir muones".

Los inicios de CosmicWatch

Axani desarrolló CosmicWatch en 2017 mientras era estudiante de posgrado en el MIT, con el objetivo de construir un detector de muones compacto y eficiente en energía para su uso en el observatorio IceCube en la Antártida. Este observatorio es un detector masivo enterrado en el hielo que busca neutrinos, otro tipo de partícula subatómica. Un detector de muones es útil porque ayuda a los investigadores a distinguir entre muones y neutrinos.

A medida que el proyecto avanzaba, Axani se dio cuenta de que la misma tecnología podía ser portátil y lo suficientemente económica para su uso educativo. Así, CosmicWatch se transformó en una herramienta de divulgación para enseñar física de partículas. Tras unirse al cuerpo docente de la Universidad de Delaware en 2022, Axani continuó perfeccionando el diseño y recientemente lanzó la tercera versión de CosmicWatch, que incluye mejoras para monitorizar su entorno y recopilar datos más rápidamente.

La estudiante de doctorado Masooma Sarfraz, quien trabaja en el laboratorio de Axani, destacó: "Aunque había estudiado los rayos cósmicos, no aprecié completamente la rica física detrás del funcionamiento de estos detectores para 'ver' el mundo y la producción de partículas atmosféricas".

Investigación y educación

La última versión de CosmicWatch es adecuada para calibrar detectores a gran escala y actualmente se utiliza en el experimento NuDot en la Universidad de Delaware y en el detector de materia oscura Coherent CAPTAIN-Mills en Los Álamos, Nuevo México. Además, se está desarrollando otra versión que podría medir rayos cósmicos primarios a bordo de cohetes y naves espaciales.

A pesar de su creciente papel en la investigación, la educación sigue siendo una parte importante de CosmicWatch. En la Universidad de Delaware, Axani utiliza el detector para enseñar física de partículas, nuclear y astrofísica, permitiendo a los estudiantes ensamblar los dispositivos y adquirir experiencia con electrónica de alta velocidad antes de usar sus detectores en experimentos diseñados por ellos mismos.

El estudiante de doctorado Musarate Shams modificó su propio CosmicWatch añadiendo sensores de temperatura y presión para estudiar los rayos cósmicos en la alta atmósfera terrestre. En mayo, el detector fue enviado a bordo de un globo de gran altitud a 30,000 metros, cerca del límite del espacio, donde mostró cómo el flujo de rayos cósmicos cambia a medida que aumenta la altitud.

Experiencia práctica para estudiantes

CosmicWatch también se utiliza fuera de la Universidad de Delaware. La profesora Natasha Holmes de la Universidad de Cornell hace que sus estudiantes en cursos de física introductoria construyan los detectores y realicen experimentos con ellos, brindando una experiencia más cercana a la física experimental profesional.

Axani estima que miles de CosmicWatch han sido construidos desde que apareció la primera versión hace ocho años, y espera que ese número pueda crecer aún más a través de un esfuerzo global de "ciencia ciudadana", donde personas de diferentes partes del mundo midan las tasas locales de muones y envíen sus observaciones a un lugar central en línea.

Conclusiones

Lo que comenzó como un proyecto educativo económico ha evolucionado hacia varias áreas de la física avanzada, algo que Axani no esperaba inicialmente. "Aunque comenzó como un programa educativo, ha encontrado uso en muchas áreas diferentes de la física", concluyó.