Estrategias para la enseñanza del modelo estándar de la materia en el Gimnasio Campestre
- Docentes, Red de Diseño y Desarrollo
- Director Centro de Estudios Astrofísicos
Correspondencia para los autores:
fmoreno@campestre.edu.co
Recibido: 12 de febrero de 2024
Aceptado: 12 de abril de 2024
Tabla de contenido
RESUMEN
El presente artículo corresponde a la recopilación de las diversas actividades y estrategias implementadas en el Gimnasio Campestre para la enseñanza de la física de partículas en estudiantes de distintos niveles. Esta iniciativa surge de la necesidad de mantener actualizados a los estudiantes, tomando en cuenta el gran desarrollo teórico-experimental de la física moderna en las últimas décadas. Este conocimiento es relevante a nivel escolar, ya que permite conectar el conocimiento básico impartido en el currículo de física con los conocimientos ofrecidos en la universidad, principalmente en carreras como ingeniería y física. Se diseñaron e implementaron un conjunto de actividades prácticas que buscan acercar a los estudiantes al modelo estándar de la física de partículas y a algunos principios básicos de la mecánica cuántica. En cuanto a la parte experimental, se construyeron cámaras de niebla y detectores de muones para realizar observación y conteo de partículas.
Palabras clave: Física de partículas, Modelo estándar, Enseñanza en la escuela, Detectores.
ABSTRACT
This article compiles the various activities and strategies implemented at Gimnasio Campestre for teaching particle physics to students of different levels. This initiative arises from the need to keep students updated, taking into account the great theoretical-experimental development of modern physics in recent decades. This knowledge is relevant at the school level, as it allows connecting the basic knowledge taught in the physics curriculum with the knowledge offered at the university, mainly in careers such as engineering and physics. A set of practical activities were designed and implemented that seek to bring students closer to the standard model of particle physics and some basic principles of quantum mechanics. In the experimental part, cloud chambers and muon detectors were built to observe and count particles.
Keywords: Particle physics, Standard model, Teaching in school, Detectors.
INTRODUCCIÓN
La física es considerada como una de las ciencias que, a lo largo del siglo XX, ha producido una mayor influencia en el desarrollo de la sociedad, gracias a que modificó drásticamente sus fundamentos, debido al desarrollo de las teorías especial y general de la relatividad y la de la física cuántica. Sin embargo, en el campo de esta última fue donde las aplicaciones» resultaron ser más prolíficas: el desarrollo de la electrodinámica cuántica, la invención del transistor, la física nuclear, la física del estado sólido y el desarrollo de la física de partículas elementales o física de altas energías. Respecto a esta última se experimentó un avance extraordinario con la introducción de unas partículas llamadas quarks, cuya existencia fue propuesta teóricamente en 1964, por Gell-Mann y por George Zweig. Lo quarks son la base de protones y electrones y su carga es fraccionaria. De acuerdo a Gell-Mann y Zweig, los hadrones, las partículas sujetas a la interacción fuerte, están formados por dos o tres especies de quarks y antiquarks. Así como la fuerza electromagnética entre electrones está mediada por el intercambio virtual de fotones, los quarks están ligados entre sí por una fuerza que surge del intercambio de otros cuantos: los gluones, llamados así porque hacen que los quarks se peguen formando objetos observables como el protón y el neutrón (Sánchez,2018)
Con el desarrollo posterior de la electrodinámica y la cromodinámica cuánticas, se dispuso de teorías cuánticas para las interacciones electromagnética y fuerte. Además, se tenía una teoría de la interacción débil, responsable de procesos radiactivos como la radiación beta. Una versión más satisfactoria para una teoría cuántica de la interacción débil llegó cuando Steven Weinberg y Abdus Salam propusieron independientemente una teoría que unificaba las interacciones electromagnética y débil. Su modelo incorporaba ideas propuestas en 1960 por Sheldon Glashow. Por estos trabajos, Weinberg, Salam y Glashow compartieron el Premio Nobel de Física de 1979. La teoría electrodébil unificó la descripción de las interacciones electromagnética y débil, pero ¿no sería posible avanzar por la senda de la unificación, encontrando una formulación que incluyese también a la interacción fuerte, descrita por la cromodinámica cuántica? La respuesta, positiva, a esta cuestión vino de la mano de Howard Georgi y Glashow, que introdujeron en 1974 las primeras ideas de lo que se vino en denominar Teorías de Gran Unificación (GUT) (Sánchez,2018).
El avance de la física moderna ha hecho que lo que se enseña en la escuela esté cada año más atrasado, con la gran dificultad que enfrentarán los jóvenes que van a estudiar física, al no conocer las bases del Modelo Estándar de la Materia y en la mayoría de los casos no haber tenido una práctica experimental que los acerque a estos temas.
Para el Gimnasio Campestre resulta relevante el estudio y detección de partículas elementales para vencer las dificultades arriba mencionadas y como medio para desarrollar competencias experimentales y habilidades de investigación en los estudiantes.
A continuación, se presentará una reseña sobre los rayos cósmicos y el Modelo Estándar de la Materia, la cámara de niebla, los tipos de detectores de muones y sus aplicaciones. Finalmente presentaremos algunas estrategias que se han desarrollado para la enseñanza de estos temas en el Gimnasio Campestre
Antecedentes históricos de los rayos cósmicos
Los rayos cósmicos son partículas atómicas que llegan del espacio y bombardean constantemente nuestro planeta, desde todas las direcciones. La mayoría de estas partículas son protones o núcleos de átomos. Algunas de ellas son más energéticas y viajan a una velocidad cercana a la de la luz: tienen cientos de millones de veces más energía que las partículas producidas en el acelerador de partículas más poderoso construido por el hombre.
Los rayos cósmicos de menor energía que llegan a la Tierra provienen de algún lugar dentro de la Vía Láctea. Otros provienen de sitios externos a nuestra galaxia. Aún se desconoce mucho de los procesos físicos que producen estas partículas con tanta energía.
La investigación sobre el origen de los rayos cósmicos tiene más de cien años y va más allá de entender que son: el fin último es comprender cuáles son las fuentes astrofísicas más energéticas del universo.
En 1912, Víctor Hess, utilizando un globo a una altitud de 5000 metros, descubrió una «radiación penetrante» procedente del espacio. Este fue el primero de muchos de sus experimentos para descubrir el origen de esta radiación. En 1927, usando una cámara de niebla, Dimitry Skobelzyn fotografió las primeras huellas dejadas por los rayos cósmicos.
En 1932, Carl Anderson hace un aporte excepcional: descubrió la antimateria en la forma del antielectrón: el positrón. Esta es una partícula igual a un electrón, pero con una carga positiva opuesta. Con ello, la naturaleza y origen de los rayos cósmicos empieza a ser objeto de debate. Según Robert Millikan, los rayos cósmicos eran rayos gamma provenientes del espacio, radiaciones electromagnéticas producidas por la desintegración de los núcleos de los átomos. Se hace evidente entonces, que los rayos cósmicos eran en su mayoría partículas energéticas.
Imagen 2. Observatorio Pierre Auger, Argentina
En 1937 Seth Neddermeyer y Carl Anderson descubrieron la partícula subatómica elemental llamada muón en los rayos cósmicos. El positrón y el muón fueron las primeras de una serie de partículas subatómicas descubiertas, a partir de los rayos cósmicos. Los físicos de partículas utilizaron los rayos cósmicos para sus investigaciones hasta la llegada de los aceleradores de partículas en la década de 1950.
Más tarde, en 1938, Pierre Auger, coloca detectores en varios puntos distantes de los Alpes: observó que la llegada de partículas a todos los detectores era simultánea. Con ello dedujo que el impacto de las partículas de alta energía de las capas más altas de la atmósfera generaba unas cascadas de partículas secundarias.
Una vez termina la Segunda Guerra Mundial, diferentes equipos de investigación retoman las observaciones de Auger y las cascadas de partículas. En 1946, Bruno Rossi en los Estados Unidos y Georgi Zatsepin en Rusia realizaron experimentos sobre la estructura de las cascadas o “duchas” de Auger. Estos investigadores construyeron los primeros detectores para detectar la lluvia de partículas en la atmósfera.
En 1949, Enrico Fermi propuso una explicación de la aceleración de los rayos cósmicos: observó cómo los protones se aceleran al rebotar en las nubes magnéticas en movimiento en el espacio. Se teoriza que las estrellas en explosión (supernovas) actúan como aceleradores de las partículas, pero por sí solas no pueden explicar los rayos cósmicos de mayor energía.
A principios de la década de los 60, Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron que las microondas de baja energía estaban presentes en todo el universo. Kenneth Greisen, Vadem Kuzmin y Georgi Zatsepin señalaron que los rayos cósmicos de alta energía interactuarían con dichas microondas. La interacción reduciría su energía, de modo que las partículas que viajan por largas distancias intergalácticas no tendrían una energía muy alta.
El detector de rayos cósmicos de Haverah Park en Inglaterra, comienza sus trabajos de investigación en 1967. Sus detectores de agua han contribuido de manera importante en la comprensión de los rayos cósmicos a las energías más altas. Para el Observatorio Auger, la demostración de que el agua podía mantenerse libre de bacterias en un recipiente sellado durante más de 25 años se constituye en una prueba más de la acción de los rayos cósmicos.
Varios años después, el grupo de investigación Fly’s Eye en los EE. UU. observó un evento de rayos cósmicos con una energía superior a la registrada hasta ese entonces. Solo hasta 1994 el grupo AGASA en Japón y el grupo Yakutsk en Rusia, informaron cada uno de un evento con una energía superior al observado por los norteamericanos. Surge entonces la pregunta sobre la procedencia de estos tres rayos cósmicos de altísima energía.
En 1995, un grupo internacional de científicos inició el diseño de un observatorio de rayos cósmicos, llamado el “Proyecto Pierre Auger”, nombrado en honor al descubridor de las lluvias de aire, o cascadas de partículas en la atmósfera. El nuevo observatorio utilizaría una serie de detectores gigantes para percibir y medir un gran número de lluvias de aire de los rayos cósmicos de mayor energía. El estudio de la procedencia de los rayos cósmicos de alta energía permitiría comprender sobre el origen y la evolución del universo.
En 2007, el Observatorio Pierre Auger de rayos cósmicos, el más grande del mundo, descubrió que las fuentes de las partículas en los rayos cósmicos de mayor energía, no se distribuyen uniformemente en la atmósfera. El origen de estas partículas de alta energía parece provenir de los núcleos de las galaxias cercanas a la nuestra.
ELEMENTOS DEL MODELO ESTÁNDAR DE LA MATERIA
Los griegos llamaron átomo a la partícula más pequeña que constituía la materia. Era un concepto puramente teórico, impreciso y sin ninguna demostración experimental que consiguió mantenerse hasta tiempos muy recientes. Este modelo se vino abajo a mediados del siglo XIX, cuando se empezó a pensar que el átomo tenía partes.
Se conoce como electrón a la partícula esencial más liviana que compone un átomo y que presenta la menor carga posible en lo referente a la electricidad negativa. Se trata de un elemento subatómico que se sitúa en torno al núcleo del átomo. Fue descubierto por J. J. Thomson en 1897 aunque su existencia ya había sido postulada por George Johnstone Stoney. La masa del electrón es mil ochocientas veces menor que la masa del protón. Pese a que los electrones suelen formar parte de los átomos, existen electrones que forman haces en el vacío o que se trasladan de manera independiente por la materia. Si los electrones se desplazan por fuera del átomo, pueden generar corriente de electricidad. Los electrones sufren fenómenos como la difracción en cristales que tienen el espaciamiento adecuado y el principio de incertidumbre el cual enuncia que cuanto mayor sea la longitud de onda para ver el electrón, más pequeña será la incertidumbre de su momentum (Besier, 1979).
En el año 1911 Rutherford descubrió el protón en el núcleo del átomo. Su experimento consistió en bombardear una lámina delgada de oro con helio ionizado. Rutherford vio que la mayoría de los iones de helio atravesaban la lámina de oro sin problema, pero algunos “rebotaban” como si hubieran chocado con algo sólido. Dedujo que en el núcleo de los átomos de oro había una partícula dura, a la que se llamó protón. Los protones y los electrones son partículas de Fermi con espines de ½. El protón tiene un momento magnético de 1.5X10 -3 que la del electrón. La siguiente partícula en ser descubierta fue neutrón, en 1932 por James Chadwick, e incluirlo como parte del núcleo. La masa del neutrón se calculó a partir de un análisis de las energías de retroceso observadas en los núcleos de nitrógeno (1.6748x 10-27 kilogramos), siendo un poco mayor que la del protón (1.6726x 10-27 kilogramos).
Una nueva disciplina, la mecánica cuántica determinó que los electrones se movían en ciertos orbitales y que no podían moverse del nivel cuántico de energía de un orbital a otro sin recibir o ceder un “cuanto” de energía. Schrödinger con sus ecuaciones definió la estructura del átomo, junto con el principio de exclusión de Wolfgang Pauli, según el cual en un mismo orbital sólo puede haber un electrón (o dos, si sus espín o momentos angulares intrínsecos son opuestos).
Wolfgang Pauli en 1930 propuso la existencia de una partícula que no debía tener carga eléctrica, por eso Enrico Fermi la llamó neutrino. Debido a que ellos poco interactúan con la materia, solo fue descubierta en 1956 por los físicos Reines y Cowan encontraron evidencias de reacciones de neutrino que se originaban en un reactor nuclear. Los neutrinos se producen debido a varios procesos nucleares: la mayoría de los que llegan a la Tierra desde el espacio vienen del Sol o cuando los rayos cósmicos de gran energía cuando chocan contra la atmósfera de la Tierra y las supernovas. Tienen un espín de ½, masa en reposo prácticamente nula y una velocidad cercana a la luz.
Existen núcleos atómicos que sufren desintegraciones de forma espontánea ya que emiten radiación y materia y se les llama núcleos inestables, ellos emiten básicamente partículas alfa (núcleos de helio cargados positivamente), beta (electrones o positrones) y gamma (fotones energéticos). Son isótopos de uranio, actinio y torio. Otros núcleos menos pesados son potasio, rubidio, samario y el lutecio (Kneubühl, 2001).
Las partículas elementales conocidas se pueden clasificar según varios criterios: masa, vida media, espín y sensibilidad a las interacciones.
Vida media: se han encontrado pocas partículas elementales que existan durante un periodo arbitrariamente largo como por ejemplo lo son electrones, positrones, fotones, neutrinos y protones. También hay una gran variedad de partículas que a través de más desintegraciones decaen en partículas estables.
Espín: la clasificación se hace dependiendo si tienen un espín entero o fraccionario. En el caso de las partículas con espín fraccionario (1/2, 3/2, 5/2 …), se les denomina fermiones y cumplen el principio de exclusión de Pauli. A las de espín entero se llama bosones y se rigen por la estadística Bose-Einstein.
Interacción: Es la clasificación más habitual y estas sirven para entender la interacción de la que son portadoras o que rigen su creación, desintegración y sus reacciones con otras partículas (leptones y hadrones). Se han encontrado ciertos principios de conservación, es decir, magnitudes naturales que son invariantes y también violaciones de simetría y reglas de selección (Kneubühl, 2001).
Son fermiones de espín ½ -e (e–, muon–, tao–) o carga nula (neutrino electrón, neutrino muon y neutrino tao) y sus respectivas antipartículas: Estas partículas no experimentan la interacción fuerte. Siempre se crean en pareja con un anti-leptón en reacciones debidas a la interacción electromagnética o a la débil. Se ha observado que el neutrino que se crea con el muón no es el mismo que el que se crea junto con el electrón.
Todas las partículas que sufren la interacción débil o electromagnéticas, sino también interacciones fuertes bariones y los de espín entero se llaman leptones
Son los portadores de las cuatro interacciones fundamentales, el gluon de la fuerte, el fotón de la electromagnética. El bosón neutro Z0 y los bosones cargados W+ y W- de la débil y el gravitón de la gravitatoria.
Cada partícula suele estar acompañada por una antipartícula. Sólo algunas son su propia antipartícula por ejemplo el mesón pi 0. Un par partícula-antipartícula puede crearse a partir de energía y transformarse de nuevo solo en energía. Para que las leyes físicas de conservación se cumplan, ciertas propiedades de estos pares deben ser opuestas: la carga, el momento magnético, el número leptónico.
Aunque estas partículas no sean detectadas en forma aislada, hoy en día no queda duda alguna que los hadrones conocidos, es decir mesones y bariones, están formados por quarks y antiquarks, aunque los primeros están formados por dos y los segundos por tres. Los quarks son fermiones, pues tienen un espín semientero y cada uno es portador de las propiedades de Strangeness, Charm, Beauty y Topness, Con los seis quarks se pueden formar todos los hadrones. El protón está formado por dos quarks Up y uno Down y el neutrón por un Up y dos Down.
El modelo actualmente más respaldado presenta un universo con una simetría entre leptones y quarks, donde una pareja de leptones junto con una pareja de quarks constituye una familia o generación. La primera generación, nuestro entorno, está formada por los electrones, los neutrinos asociados y los quarks Up y Down, que forman los protones y los neutrones. La segunda generación, mucho menos frecuente en nuestro universo y creada en los aceleradores, está formada por el muón, su neutrino asociado y los quarks strange y charm. En los aceleradores de mayor potencia se completó a mediados de los años 1990, la tercera generación de partículas elementales (Kneubühl, 2001).
Figura 1. Clasificación de la familia de partículas elementales en el modelo estándar de partículas (Lubej, 2015).
CÁMARAS DE NIEBLA PARA LA DETECCIÓN DE RAYOS CÓSMICOS
Las cámaras de niebla son dispositivos que detectan algunas partículas elementales como muones, partículas alfa, y electrones con un vapor que se ioniza con el paso de estas partículas. Esta forma de detectar y visualizar partículas fue inventada por el físico escocés Charles Thompson Rees Wilson el cual se dio cuenta que con esta cámara de niebla y un campo magnético serían capaces de detectar lo que en su momento se conocía como radiación ionizante. En la década de 1920 Wilson diseñó una máquina que por medio de un pistón creaba expansión adiabática (proceso en el cual fluidos no intercambian calor) generando niebla por un cambio de presión y temperatura en una cámara. Esta niebla la cual era ionizada por los electrones generados por un campo magnético generaba unas líneas de condensación visibles probando que había un tipo de radiación. Gracias a este invento y descubrimiento en el año 1927 Charles Wilson recibió un premio Nobel de Física. Después de este gran reconocimiento Wilson continuó con la investigación de la cámara de niebla y partículas ionizantes. En el año 1933 Wilson mejoró su máquina de manera que los cambios de presión adiabática a temperaturas fuesen mejor. Sin embargo, esta cámara de niebla continuaba siendo intermitente, lo cual era un gran problema porque no siempre se podían replicar los resultados y dependía de variables que presentaban una complejidad mayor que la tecnología de la época no podía controlar de manera eficiente. Igual una solución que le dieron a este problema fue instalar medidores de radiación (contador Geiger) con el fin de lograr detectar de una forma más acertada los resultados de la cámara de niebla.
En el año 1938 el físico Alexander Langsdorf en su tesis de doctorado presentó la primera cámara de niebla constantemente sensible (a Continuously Sensitive Diffusion Cloud Chamber) la cual era mucho más estable y permitía dejar historial fotográfico de lo que se observaba a través de la cámara (Lansgdorf, 1938). Este nuevo diseño de la cámara de niebla menos complejo y con una forma de caja funciona por medio de la condensación de vapor caliente el cual desciende por la caja y llega a la parte inferior la cual está a la temperatura menor a la temperatura de condensación lo cual crea una capa de vapor sobresaturado. Langsdorf comenzó a utilizar sólido para llevar la cámara de niebla a las temperaturas necesarias. Sin embargo, Langsdorf recalcó en la discusión de su tesis sobre los inconvenientes que tenía su cámara de niebla que eran: la mayoría de rayos cósmicos viajan verticalmente y la máquina está diseñada para funcionar horizontalmente debido a la capa de vapor sobresaturado en la parte inferior (funciona mejor con campos magnéticos inducidos), también los recursos limitados de vapor no permiten que se usarán fuentes fuertes de ionización, por último como hay una sobresaturación continua toda la radiación que esté dentro de la cámara continúa generando condensación lo cual reduce la calidad del vapor.
En 1950 estas cámaras de niebla se comenzaron a utilizar en centros de investigación nuclear. Pero no por mucho tiempo ya que en 1952 apareció un nuevo tipo de detector de partículas más estable llamado cámara burbuja. Este nuevo tipo de cámara junto con los avances tecnológicos hicieron que el uso de cámaras de niebla con fines de investigación no se continuase utilizando debido a su falta de precisión y exactitud. Más adelante detectores electrónicos se volvieron la opción para los laboratorios ya que garantizan precisión y exactitud además de ser estables, sin embargo, estos detectores no dan ningún tipo de señal visible solo dan los datos en un computador.
FUNCIONAMIENTO DE LA CÁMARA DE NIEBLA
La condición fundamental para obtener una formación de niebla óptima ocurre gracias a grandes diferencias de temperatura (o gradiente) en un mismo sistema (Barradas, 2010). Estas diferencias en temperatura permiten que haya difusión del alcohol en la parte superior caliente hacia la parte inferior fría a través de un gas inerte como lo es el aire (Barradas, 2010). La niebla únicamente se forma cuando la diferencia de temperaturas es al menos de 100℃ lo cual es una diferencia que puede proporcionar el hielo seco junto con calor que se añade en la parte superior de la pecera de vidrio. Sin embargo, hay diseños que utilizan otro tipo de fuentes de enfriamiento como células de Peltier que utilizan energía eléctrica para enfriar la lámina de aluminio. Estos diseños son más complicados de hacer, pero se pueden utilizar con solo una fuente eléctrica.
La niebla generada por esta gradiente de temperatura tiene una carga neutra, pero se ve afectada por partículas con una carga que funcionan como un núcleo de condensación dejando así el rastro de la partícula. El rastro queda gracias a la ionización de la niebla, pero los diferentes rastros que dejan partículas dependen de la decadencia de cada una de las partículas en la niebla.
TIPOS DE DETECTORES DE MUONES
La información siguiente corresponde a una adaptación y traducción que tiene como texto principal la presentación acerca de detección de muones, presentada por Laurent Chevalier en The European School in Instrumentation for Particle and Astroparticle Physics (ESIPAP) realizado entre 25 de enero y el 20 de febrero de 2016 realizado en el European Scientific Institut Archamps.
Los detectores son instrumentos que permiten entender y seguir de cerca un fenómeno. Estos pueden construirse además de sub-detectores con tareas específicas asignadas. Los hay de diferentes tipos: Gaseosos, líquidos, sólidos y de naturaleza mixta. Para el propósito de este trabajo se tratarán los detectores en los siguientes tres grandes grupos: de emulsión nuclear, los gaseosos y los centelladores.
La detección de muones es importante por diferentes razones como la determinación de las propiedades intrínsecas de las partículas elementales, como herramienta de calibración o para detectar lo que está en el interior de estructuras de difícil acceso, entre otras.
Existen diferentes de mecanismos de detección electromagnética como lo son la ionización, el centelleo y la radiación Cherenkov. Las partículas se detectan por sus interacciones con el medio por el que atraviesan.
Las emulsiones nucleares han ganado un amplio interés en el ámbito mundial en el ámbito de la radiografía de muones con aplicaciones en la radiografía de edificios volcánicos. Estos detectores no requieren de una fuente de poder y el valor de algunos de sus componentes es menor comparado con el de otros detectores. La idea detrás de este tipo de dispositivos es detectar partículas ionizadas que pasen a través de un medio mientras se identifica tridimensionalmente la trayectoria a su paso. Principalmente están hechos de microcristales de AgBr incorporados en un gel (Bozza & al., 2017).
Con respecto a los centelladores, estos son materiales que tienen la propiedad de convertir radiación de alta energía en energía detectable en el rango visible. Los hay de diferentes tipos: sólidos, líquidos, gaseosos o de naturaleza mixta. Sin embargo, todos funcionan con los mismos principios básicos; un material centellador y un instrumento fotodetector.
En la figura 2 se puede observar el centellador plástico acoplado con un fotomultiplicador para la detección de muones, descrito por Gaelan Axani en su trabajo de tesis de maestría en el MIT (Axani, 2019).
Figura 2. Foto de los componentes del detector de muones de escritorio diseñando por el MIT (Gaelan Axani, 2019).
En el caso de los detectores líquidos, estos pueden ser empleados por ejemplo para medir el tiempo de la vida de un muon (el cual sabemos que es aproximadamente de 2 µs). Para este experimento en particular, se llena un tanque con un centellador líquido, y dos centelladores contadores plásticos se colocan arriba y abajo y tubos multiplicadores a derecha e izquierda. La idea es poder obtener mediciones de todos los 4 lados en el experimento a partir de la luz emitida por las partículas cargadas que pasan a través del centellador. Las técnicas de coincidencia funcionan muy bien en este experimento ya que, al detectar señales al mismo tiempo en varios multiplicadores, se confirma que se trata de un mismo evento que está teniendo lugar en el centellador (Romalis, 2008).
Durante este tipo de experimentos se busca garantizar que el muon se frena completamente al interior del centellador líquido, como se observa en la figura. Las señales se detectarán arriba y abajo, pero luego de unos segundos también se detectarán señales en los detectores de derecha e izquierda como evidencia del decaimiento del muon (véase Figura 3).
Figura 3. Diagrama del sistema de detección de muones usando un centellador líquido donde es posible detectar señales en arriba, abajo a derecha e izquierda del centellador (Romalis, 2008).
Por otra parte, los detectores gaseosos en el caso de los muones se usan para seguir el recorrido que siguen, lo que abre paso a una detección de alta eficiencia. Este tipo de detectores tienen una amplia aplicación en medios tales como la medicina y la biología (Sauli, 1995). Una de las primeras aplicaciones corresponde a la cámara proporcional multialambre o por sus siglas en inglés MWPC (Multiwire Proportional Chamber), introducida por primera vez por el ganador del premio Nobel Georges Charpak en 1967. La configuración básica de este detector corresponde a un par de electrodos (cátodo y ánodo) en presencia de un gas. Se aplica una diferencia de voltaje entre el cátodo y al ánodo, lo cual crea un campo que atrae a los electrones y positrones producto de la ionización hacia uno de los electrodos, respectivamente. Toda esta carga es recolectada y detectada por el detector al recibirse una señal (González & Serrato, 2019).
APLICACIONES
El estudio de los rayos cósmicos, y de las partículas que se producen al interactuar con la tierra, en particular los muones, tiene muchas aplicaciones que van desde el estudio del origen y evolución del universo, hasta estudios geológicos de la composición de la tierra.
Desde el descubrimiento de los rayos cósmicos, cuando se empezaron a utilizar primitivos detectores de ionización, Pier Auger, descubrió la relación entre la radiación proveniente del espacio, y lo que denominó, Chubascos extendidos, los efectos meteorológicos que se producen cuando la radiación proveniente del espacio atraviesa nuestra atmósfera.
Cuando los rayos cósmicos interactúan desde que atraviesan la atmósfera hasta llegar al nivel del mar, decaen, en muones, que se convierten en cerca del 80% del flujo de radiación que entra, por eso su detección y estudio resulta relevante en diferentes áreas.
Su estudio permite estudiar el origen y evolución del universo, ya que los rayos cósmicos nos proporcionan, estando acá en la tierra, información de eventos que suceden en el universo y que generan partículas de altas energías que llegan hasta la tierra.
Adicionalmente, el estudio y detección de los muones provenientes de rayos cósmicos, contribuye al entendimiento de la materia y su composición, pues permite la determinación de propiedades de las partículas elementales.
APLICACIONES SOBRE PARTÍCULAS ELEMENTALES Y MUONES EN COLOMBIA
Actualmente son muchos y variados los estudios que se llevan a cabo en nuestro país en este tema. En su mayoría, estas investigaciones se realizan en universidades de algunas regiones del país, así como asociaciones colaborativas. También es pertinente resaltar los estudios realizados por varios científicos colombianos en universidades e instituciones alrededor del mundo en esta materia. Los proyectos más destacables en las universidades colombianas son los siguientes:
El grupo de Física Nuclear realiza investigaciones sobre estudios experimentales de la estructura del núcleo atómico y sus partículas, por medio de reacciones nucleares facilitados por laboratorios europeos o estadounidenses. El estudio se logra identificando las propiedades de la radiación emitida durante la desexcitación. También se diseñó y construyó un detector gaseoso de partículas que caracterizó, utilizando las técnicas convencionales de instrumentación con radiación cósmica (muones), el voltaje óptimo de operación del detector y su ganancia para cada uno diferentes gases.
Se trabaja en una aplicación que utiliza los muones atmosféricos para el estudio de la estructura interna de los volcanes, particularmente en el volcán Galeras. Para este trabajo se hace uso de un detector optoelectrónico.
Realiza estudios de los estados atómicos y el espectro de las de las partículas y subpartículas. Recientemente la universidad fue aceptada como instituto asociado al CERN, para colaborar en estudios sobre la interacción de partículas y subpartículas, además del funcionamiento de la estructura nuclear de la materia. En este proyecto participa además la Universidad de los Andes.
Se destaca por su trabajo en Física Teórica a través de la mecánica cuántica, la física estadística, los sistemas dinámicos y, finalmente, la aplicación de la geometría y topología en el estudio de partículas y subpartículas.
Desarrolla el proyecto Telescopio Muon (MuTe) en colaboración con la Universidad del Tolima, el Servicio Geológico Colombiano, y el apoyo de Colciencias. El MuTe registra el componente muónico del flujo de partículas atmosféricas en los rayos cósmicos, que cruzan el volcán Cerro Machín, ubicado en el suroeste de Colombia. Este flujo registrado puede asociarse con la densidad en las estructuras geológicas, produciendo imágenes internas. Para ello fue desarrollado un prototipo de hodoscopio.
Se han llevado a cabo estudios teóricos sobre la simulación de las cascadas producidas por los rayos cósmicos, usando diferentes variables.
Ha realizado investigaciones sobre el efecto de la radiación cósmica en la troposfera terrestre y las implicaciones de este fenómeno en la salud pública, los ecosistemas, la biodiversidad, el cambio climático y la variabilidad climática. También las potenciales aplicaciones en el campo del monitoreo y análisis del suelo, agua y aire.
ENSEÑANZA DE LA FÍSICA DE PARTÍCULAS A NIVEL DE ESCUELA ELEMENTAL Y SECUNDARIA
Diferentes estudios a nivel mundial se han llevado a cabo con el fin de encontrar las mejores estrategias que permitan a los estudiantes conocer y comprender los conceptos básicos en física de partículas. De manera que se hace necesario colocar al modelo estándar en la lista clave de ideas a trabajar. Un estudio realizado por Wiener, Schmeling y Hopf (Wiener, Schmeling, & Hopf, 2015) con 20 estudiantes de sexto grado en el cual se llevaron a cabo sesiones basadas en diseño de investigación. La idea fue la de basarse en tres pilares básicos correspondientes al carácter permanente del modelo, la exactitud en la lingüística del mismo y el uso de ilustraciones tipográficas novedosas para representar las partículas elementales. Los resultados fueron prometedores, reduciendo los errores en algunas de estas ideas fundamentales y mostrando un avance en general en su comprensión por parte de los estudiantes.
Una de estas ideas resulta ejemplificada en la ilustración tipográfica de un protón y un neutrón creada por los mismos autores, en la que los quarks son representados por las letras u y d, representando a los quarks up and down, respectivamente. Los gluones se representan con la letra g, y muchos se introducen para representar el campo de gluones que mantiene unidos los quarks al interior del núcleo. Los colores ayudarán a representar la propiedad de color que poseen los quarks, y, por ende, esta representación también sirve para introducir este concepto.
Figura 4. Ilustración tipográfica para representar un protón y un neutrón diseñada como parte de la investigación realizada por Wiener, Schmeling y Hopf (Wiener, Schmeling, & Hopf, 2015)
Una idea para introducir los conceptos de física de partículas para estudiantes en últimos años es la de incorporar el estudio de un experimento con el LHC en paralelo con los conceptos propios del currículo de física a nivel escolar. De esta manera, los conceptos de la física de partícula se incorporan de una forma natural en el aprendizaje de los estudiantes como lo proponen Wiener, Woithe, Brown y Jende (Wiener, Woithe , Brown, & Jende, 2016) en su investigación sobre los recursos disponibles al introducir el experimento LHC en el aula. Este experimento se escoge porque resulta ser uno de los más populares a nivel mundial, con descubrimientos tan importantes como el de Higgs en julio de 2012. Diferentes materiales pedagógicos han sido desarrollados y se encuentran disponibles para uso escolar (Group, 2022), convirtiéndose de esta forma en un recurso gratuito e invaluable al usarse en paralelo con los conceptos tras estos grandes experimentos.
Para estudiantes en último año y que quieran entender a grandes rasgos el contenido de ideas con un contenido un poco más profundo en física, se tiene por ejemplo el famoso lagrangiano que forma parte de varios elementos comerciales que se comparten con el público en general, contribuyendo a la divulgación científica, y el cual se lista a continuación:
Estas cuatro líneas representan de forma compacta la cinemática y dinámica en el marco de un sistema cuántico. Cada término tiene un significado profundo dentro de la física, y prueba de esto corresponde al último que describe el acoplamiento de las partículas con el campo de Brout-Englerts-Higgs, y por tanto el mecanismo por el que obtienen masa. Esta descripción junto con aquellas correspondientes a los otros tres términos, corresponden a las desarrolladas en el artículo dedicado a la descripción de este y desarrollado con un gran nivel de detalle por Julia Woithe y otros autores (Woithe, 2017) en el artículo ‘Let’s have a coffee with the Standard Model of particle physics’. En este se explican ideas claves del modelo de manera sencilla como lo son la familia de partículas elementales, las interacciones entre las mismas y los diagramas de Feynman que sirven a describir estas últimas. Mostrando así que estos conceptos pueden compartirse con los estudiantes de forma sencilla y conceptualmente correcta.
ESTRATEGIAS PARA LA ENSEÑANZA DE LA FÍSICA DE PARTÍCULAS EN EL CAMPESTRE
En nuestra institución también se ha consolidado un grupo de investigación conformado por profesores y el trabajo de algunos estudiantes. Entre las acciones pertinentes al estudio de la física de partículas, cabe destacar:
- Monografía del estudiante Juan José Mejía sobre el origen de los rayos cósmicos y la construcción de un modelo básico de una cámara de niebla.
- El alumno Pablo Esguerra diseñó y construyó una cámara de niebla para detectar partículas propias de los rayos cósmicos. Este dispositivo está disponible para que los alumnos del colegio puedan en cualquier momento visualizar dichos rayos.
- Los estudiantes de 4º grado empiezan su preparación en los componentes básicos del modelo atómico y la física de partículas.
- Los estudiantes del grado 9º desarrollan en su materia de Física un trabajo con ecuaciones funcionales que explican el decaimiento de las partículas. Esto se realizó a partir del estudio del decaimiento radiactivo de ciertos átomos en paralelo con los modelos exponenciales.
- La Universidad de los Andes invitó al estudiante Emilio López para conocer de cerca las investigaciones sobre partículas y rayos cósmicos. Por esta aproximación a la física de altas energías, Emilio hizo su trabajo de monografía junto con el estudiante Alejandro Montaño. Juntos realizaron diferentes tomas de datos con el fin de detectar muones realizando un conteo de estos, utilizando como herramienta el Cosmic Watch Detector que fue descrito en la sección de detectores electrónicos de este trabajo.
- Sebastián Grueso, Esteban Jiménez y Tobías Mateus se vincularon en el segundo semestre del 2022 en el semillero de investigación del grupo de objetos astrofísicos en física de partículas, que trabajan con el profesor Freddy Moreno en la toma de datos con el detector de muones, y en la comprensión de la conexión entre el flujo de rayos cósmicos y el ciclo solar.
- El estudiante Martin Sanz se encuentra en la actualidad completando su monografía la cual corresponde a una revisión conceptual del Modelo Estándar de Partículas, Neutrinos y su conexión con otras teorías que buscan llenar vacío de este modelo.
- En noveno grado como propósito de la unidad en la que se habla de luz y el espectro electromagnético dentro de la asignatura de ciencias, los estudiantes tuvieron un acercamiento a la naturaleza dual de la luz de una manera conceptual y del experimento de doble rendija de Young de una forma simplificada. De esta manera, se realizó una primera aproximación a la física cuántica dentro del currículo en este grado, poniendo de manifiesto que se existen otras leyes que gobiernan a las partículas elementales.
Finalmente, se constituye el equipo de trabajo que realiza esta investigación. En el curso de este año y medio se planteó la posibilidad de construir una línea de investigación que haga asequible a los estudiantes el conocimiento y la experimentación con la física de partículas. Por ello el colegio avaló la adquisición de un detector de muones en altas energías. Priorizando el objetivo de llevar el estudio y experimentación, se elaboró una cartilla para los niños, apropiada para su nivel de lenguaje, que introduce en el estudio del modelo atómico, las partículas y los rayos cósmicos. Este conocimiento previo los llevará posteriormente a la experimentación, recolección de datos y formulación de conclusiones. Por último, cabe destacar la participación de nuestra compañera Fleurette Doresty en el International Teachers Week Programme en 2022 en el CERN, con el fin de compartir con otros docentes alrededor del mundo experiencias diversas acerca de la enseñanza del modelo estándar y la física moderna dentro del currículo escolar. Cada punto descrito evidencia el esfuerzo realizado en los últimos años desde la consolidación del equipo de investigación, en la propuesta e implementación de estrategias dentro y fuera del aula que permitieron a los estudiantes en el Gimnasio Campestre una aproximación a la física moderna.
DETECCIÓN RAYOS CÓSMICOS Y MUONES EN EL GIMNASIO CAMPESTRE
El trayecto de un rayo cósmico a través de la atmósfera es un proceso muy caótico y aleatorio fenómeno durante el cual se genera un fenómeno llamado efecto cascada. Este efecto consiste en una reacción de una partícula de rayos cósmicos separando un núcleo de un átomo en la atmósfera, lo que genera más partículas y dos núcleos más livianos que permiten hacer una reacción en cadena liberando una cantidad mayor de partículas. Este proceso tiene tres componentes principales (Figura4).
El primero es el componente electromagnético (parte izquierda de la gráfica), que consiste en el decaimiento de un pión, en radiación gamma la cual a su vez puede decaer en un electrón y un positrón (par materia-antimateria) (Abe Pacini, 2017). El segundo componente es el mesónico en el cual los piones se descomponen en muones y anti-muones los cuales pueden decaer en electrones (electromagnético) o en neutrones secundarios (nucleónico). Los muones tienen un tiempo de decaimiento de 2.2 µ el cual es menor al tiempo de vuelo en la atmósfera el cual es de 40 µ segundos, pero ellos pueden ser identificados a nivel de superficie terrestre debido a las velocidades relativistas que generan una dilatación en el tiempo. Por otro lado, los muones pueden llegar al nivel de la superficie terrestre porque interactúan levemente con la materia atmosférica y solo producen ionización (Abe Pacini, 2017).
Figura 4.Rayos cósmicos en la atmósfera.
Construcción de un Cámara de Niebla: Es un dispositivo que permite identificar visualmente el paso se los rayos cósmicos cuando dejan una estela a su paso a través de una niebla. Esta niebla está por debajo de su temperatura de condensación, en un estado inestable, en el que solo hace falta una perturbación como el paso de partículas ionizadas las cuales sirven como núcleo para que se empiecen a formar gotas de líquido.
La cámara de niebla es un recipiente de vidrio que está herméticamente aislado, en cuyo interior se genera una mezcla de vapor de alcohol isopropílico y aire. La parte inferior de la cámara se enfría por medio de hielo seco el cual debe estar cerca de los -70°C. Para lograr un buen enfriamiento el depósito de hielo seco y la cámara están separados por una lámina de metal. La generación de vapor de alcohol se logra al colocar en parte superior una fuente de calor, para lo cual puede usar una bolsa con agua a una temperatura superior a los 50 °C. En el interior de la cámara se pegan unos pedazos de paño que se entrapan con alcohol, que sirven para mantener un suministro constante de esta sustancia (figura 5).
La condición fundamental para obtener una formación de niebla óptima ocurre gracias a grandes gradientes de temperatura en un mismo sistema. Estas diferencias de temperatura permiten que haya difusión del alcohol en la parte superior caliente hacia la parte inferior fría a través de un gas inerte como lo es el aire (Barradas, 2010). La niebla se formó en nuestro caso cuando la diferencia de temperaturas cercana a 100℃ (Esguerra, 2021).
Figura 5. Cámara de niebla construida por el estudiante Pablo Esguerra.
Es posible identificar las partículas basado en el rastro que dejan y esa es una de las principales características de la cámara de niebla. Para identificar los tipos de partículas que atraviesan la cámara de niebla se utiliza la figura 6.
Figura 6. Partículas visibles en una cámara de niebla
Figura 7. Identificación de partículas según el rastro dejado en la cámara de niebla.
Detector Electrónico MIT: El Laboratorio para la Ciencia Nuclear del MIT, trabajó en el desarrollo de un detector de bolsillo, utilizado para el conteo de muones que pasan a través de este. La idea de este detector es que fuera de fácil acceso y detección, de manera que su costo es relativamente bajo (alrededor de 100 dólares), y todo el material para su construcción y programación se encuentran detallados en el sitio web (CosmicWatch webpage) (Przewłocki y Frankiewicz, 2017).
Este detector se ensambló y testeó en el Gimnasio Campestre. Los detalles técnicos corresponden a los publicados en la página web del MIT mencionados en el anterior párrafo, y el objetivo principal corresponde a detectar coincidencias para confirmar el paso de neutrones a través del mismo. Para esto, dos detectores del mismo tipo son conectados a través de un cable de audio de 3.5 mm (Gaelan, 2019). De esta forma al hacer las mediciones se hace posible descartar otro tipo de eventos diferentes a muones pasando a través del detector.
PERSPECTIVAS
La construcción de dispositivos que permitan a los estudiantes visualizar el paso de algunas partículas como protones, electrones, muones, etc. hace que ellos puedan interesarse más, y logar interiorizar su importancia a diferencia de ser enseñados como simples conceptos.
Dispositivos como el Cosmic watch Detector. Mientras permite identificar temporalmente el paso de los muones, sirve como instrumento para registrar cambios en largos periodos. Hoy sabemos que para cuatro ciclos solares diferentes del 20 al 23 se encuentra que la intensidad de los rayos cósmicos está anti-correlacionada con los números de manchas solares (Rz) y el campo magnético interplanetario con alguna discrepancia (Agarwal y Mishra, 2008). Asi el estudio de los rayos cósmicos podría complementarse con la evolución del ciclo solar.
Desde su creación en la década de 1970, el Modelo Estándar de física de la materia ha tenido un éxito notable en la descripción de los componentes básicos que del universo. A pesar de sus aciertos, se sabe que el modelo está incompleto; no explica la gravedad, la materia oscura y la materia: asimetrías de antimateria, por nombrar sólo algunos fenómenos. Pero hace un buen trabajo al caracterizar sus 17 partículas constituyentes, y hasta ahora no hay consenso en torno a algo más completo (Middleton, 2021).
Las violaciones del Modelo Estándar pueden servir como pistas sobre lo que podría faltar, pero son extremadamente difíciles de conseguir. En 2001, investigadores del Laboratorio Nacional de Brookhaven identificaron un error: la medición de la anomalía del momento magnético del muón, fue 2,6 desviaciones estándar por encima del valor predicho por el modelo estándar. El nivel de certeza era demasiado bajo para reclamar un descubrimiento: los experimentos de física de partículas generalmente requieren una discrepancia de cinco desviaciones estándar, lo que corresponde a una probabilidad de un error de menos del 0,000056%. Ahora, 20 años después de ese resultado inicial, la colaboración Muon g-2 en Fermilab tiene un reclamo más fuerte de una discrepancia de Modelo Estándar. Su medición concuerda con el resultado obtenido por Brookhaven y tiene una incertidumbre de 3.3 desviaciones estándar. Los datos de Brookhaven y Fermilab dan un valor que difiere del valor del modelo estándar en 4.2 desviaciones estándar, tentadoramente cerca de las cinco necesarias. para reclamar un descubrimiento (Middleton, 2021).
REFERENCIAS
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