Traducido por Francisco Barradas-Solas

Los rayos alfa son emitidos como los pétalos de una flor por una fuente de polonio en el centro de una cámara de niebla. Las partículas se hacen visibles mediante el vapor de alcohol que se difunde desde una zona a temperatura ambiente hacia otra a -78 °C. Esta fotografía se tomó en 1957. Haga clic sobre la imagen para ampliarla Imagen del dominio público. Fuente Wikimedia Commons

La física de partículas se ve a menudo como algo que sólo puede hacerse en grandes centros de investigación, fuera del alcance del público general. Francisco Barradas-Solas y Paloma Alameda-Meléndez muestran cómo mediante la ayuda de un detector casero se puede deshacer este mito llevando la física de partículas al aula. El objetivo de la física de partículas elementales es descubrir los componentes fundamentales de los que todo está hecho e investigar su comportamiento. Aunque puede considerarse como uno de los fundamentos de la ciencia, la física de partículas es a menudo descuidada o mal considerada en la escuela, en parte porque se la percibe como ajena a las cosas con las que tratamos diariamente. Sin embargo,los físicos de partículas detectan y miden las propiedades de electrones, fotones o muones cada día con la misma confianza con la que todos “detectamos” vacas, mesas o aviones. Aún más, los detectores de partículas (por ejemplo en escáneres de tomografía de emisión de positrones, PET) se usan de forma rutinaria en física médica para detectar tumores y estudiar el funcionamiento de los órganos internos.

Mostraremos aquí como llevar la física de partículas al aula usando lo que posiblemente es el tipo más sencillo de detector de partículas, una cámara de niebla de difusión continuamente activa. Esta versión casera consiste simplemente en una pecera herméticamente cerrada llena de aire y vapor de alcohol y enfriada a una temperatura muy baja, que se puede emplear para detectar partículas cargadas, especialmente muones de los rayos cósmicos, si tienen energía suficiente.

Partículas elementales

Las partículas elementales son los elementos más simples de los que todo está hecho. No son sólo los piezas de las que están compuestas la materia y la radiación, sino también dan lugar a las interacciones entre ellas (para más detalles sobre las partículas elementales ver Landua & Rau, 2008). Estas partículas poseen energía y momento lineal, lo que permite que se puedan ver en los detectores. Hablando con precisión, las partículas no pueden verse directamente, sino que su paso a través de los detectores se infiere de los efectos que causan, tales como la ionización (para partículas cargadas). Justamente eso es lo que se hace al observar la estela de condensación que dejan en el cielo los aviones que no podemos ver, y lo que hacemos con nuestra cámara de niebla casera.

La cámara de niebla de difusión continuamente activa

Esta cámara de niebla es, en esencia, una caja herméticamente cerrada que contiene una mezcla de aire y vapor de alcohol. El alcohol líquido se evapora de un depósito y se difunde a través del aire desde la parte superior de la cámara hacia la inferior. Al enfriar la base con hielo seco (dióxido de carbono sólido, que está a una temperatura de unos –79 ºC mientras sublima) se produce un fuerte gradiente vertical de temperatura, de modo que se forma una zona próxima al fondo con vapor de alcohol sobresaturado. Esta capa activa es inestable, al contar con más vapor de alcohol que el que es capaz de mantener. El proceso de condensación del vapor en líquido puede iniciarse por el paso de una partícula cargada con suficiente energía como para ionizar átomos a lo largo de su trayectoria. Estos iones son los núcleos de condensación alrededor de los cuales se forman las gotitas de líquido que dan lugar a una estela.

Esquema de una cámara de niebla de difusión continuamente activa Imagen cortesía de Francisco Barradas Solas

Montaje y utilización

Materiales

• Contenedor transparente de vidrio o plástico (una pecera, por ejemplo) con una base de más o menos 30 cm x 20 cm y una altura de unos 20 cm (se pueden emplear otros tamaños, pero el resultado podría variar)
• Chapa de aluminio (como de 1 mm de espesor y del mismo tamaño que la base de la pecera)
• Bandeja no muy profunda y algo mayor que la base de la pecera
• Dos lámparas, al menos una de ellas potente
• Tira de fieltro o moqueta (de unos 3 cm de ancho y suficientemente larga como para que pueda rodear todo el interior de la pecera, es decir, de algo más de 1 m de largo)
• Pegamento (no soluble en alcohol)
• Cinta aislante negra y/o cinta americana
• Alcohol isopropílico (isopropanol)
• Hielo seco

Método

1. Pegar una tira de fieltro (que será el depósito de alcohol) alrededor del interior de la pared, junto a la base de la pecera (que es el cuerpo de la cámara). También se puede pegar algo de fieltro al interior de la base de la pecera.


2. Cortar la chapa de aluminio de modo que coincida lo mejor posible con la boca de la pecera y cubrir una de sus caras con cinta aislante dando lugar a una superficie negra.

Empapar el fieltro con isopropanol (pero no tanto que chorree por las paredes de la cámara). Advertencia de seguridad: Haga esto en una sala bien ventilada y recuerde que el alcohol es inflamable. Dé la vuelta a la pecera de modo que su boca se apoye sobre la chapa de aluminio, cuya cara negra debe quedar hacia arriba (para que las trazas de las partículas sean más visibles). Utilice cinta americana o cinta aislante para unir la chapa de aluminio a la pecera por su borde, sellando la cámara herméticamente. Este es el paso más critico y debe hacerse cuidadosamente, ya que la unión se volverá húmeda y muy fría durante el funcionamiento de la cámara.

Corte de la cámara de niebla. Haga clic sobre la imagen para ampliarla Imagen cortesía de Francisco Barradas Solas

Haga una capa plana de hielo seco en la bandeja y coloque encima de ella la cámara asegurándose de que su base quede horizontal. Para asegurar un buen contacto térmico entre la chapa metálica y el hielo seco evite usar trozos grandes de hielo seco; lo mejor es usar polvo o bloques con caras planas, aunque los granos pequeños funcionan bien. Nota sobre seguridad: El hielo seco está a unos –79 ºC por lo que se debe manejar con guantes protectores. Hay que mantener caliente la parte alta de la cámara, por ejemplo mediante una lámpara halógena (o de otro tipo, pero que caliente). Evite utilizar la cámara en un ambiente frío, ya que eso podría impedir que se formara el gradiente de temperatura apropiado, con lo que no se verían trazas.

La cámara. Haga clic sobre la imagen para ampliarla Imagen de Alberto Izquierdo, cortesía de Francisco Barradas Solas

Deje reposar la cámara unos diez minutos hasta que se establezca el gradiente de temperatura. Ilumine lateralmente (no desde encima) el fondo de la cámara con una luz intensa y obsérvelo. Al principio sólo verá caer una fina niebla de alcohol, pero gradualmente deberían aparecer trazas de partículas cargadas bajo la forma de condensaciones alargadas en la niebla. Nota: las traza se ven mejor en una habitación oscura.

Trazas dejadas por la radiación ionizante en una cámara de niebla (las gruesas y cortas son partículas alfa y las largas y partículas beta, es decir, electrones) Imagen cortesía de Bionerd; fuente: Wikimedia Commons

Rayos cósmicos. Haga clic sobre la imagen para ampliarla Imagen de Alberto Izquierdo, cortesía de Francisco Barradas Solas

Aunque cualquier partícula cargada con suficiente energía, proveniente por ejemplo de la radiactividad ambiental, puede dejar su rastro en la cámara, la mayoría de las trazas se deberán a los rayos cósmicos secundarios, que son partículas creadas cuando otras partículas (sobre todo protones) que vienen del espacio exterior se chocan con la parte superior de la atmósfera. Los rayos cósmicos secundarios viajan a una velocidad próxima a la de la luz y son absorbidos por la atmósfera o se desintegran en vuelo dando lugar nuevas partículas, incluyendo los muones, que pueden alcanzar la superficie terrestre y son fáciles de detectar. Los muones son partículas elementales cargadas muy parecidas a los electrones, excepto por su masa, que es unas doscientas veces mayor.

¿Qué se puede hacer con la cámara?

Si pretendemos que la cámara sea útil de verdad, no podemos limitarnos a mostrarla y describir su funcionamiento. Para complementar la explicación hemos preparado una breve tira cómica^w1 (ver más abajo) escrita en términos sencillos que muestra cómo funciona la cámara e ilustra el origen y la composición de los rayos cómicos a través de la historia de un protón cósmico y sus descendientes.

Usamos esta cámara en la escuela con nuestros alumnos de entre 12 y 18 años como parte de un esfuerzo dirigido a que vean las partículas como objetos físicos reales. Ver los rastros visibles que dejan partículas invisibles y compararlos con las estelas que producen los motores a reacción de los aviones (y que responden en buena medida a la misma física) es el primer paso de un proceso que continúa con la introducción de imágenes y datos reales de procesos de física de altas energías en ejercicios y cuestiones que son, por lo demás, estándarw2, w3 (Cid, 2005; Cid & Ramón, 2009). Este proceso concluye con el uso escolar de otro instrumento más complejo, un detector de centelleo para rayos cósmicos que permite a los alumnos registrar y estudiar datos por sí mismos (Barradas-Solas, 2007).

Haga clic sobre la imagen para ampliarla Tomado de la tira cómica; Imagen cortesía de Paloma Alameda-Meléndez

¿Por qué no usar el foro de discusión online de Science in School para intercambiar ideas sobre cómoel usao escolar la cámara de niebla nl sula? Ver: www.scienceinschool.org/forum/cloudchamber

Agradecimientos

Los autores agradecen a la Dra. Eleanor Hayes, editora jefe de Science in School, por su ayuda a la hora de dar la forma final a este artículo.

Referencias

Barradas-Solas F (2007) Giving new life to old equipment. Physics Education 42: 9-11. doi: 10.1088/0031-9120/42/1/F03
Para acceder a la versión española de este artículo, libremente disponible online, visite la web del Instituto de Tecnologías Educativas del Ministerio de Educación de España (http://palmera.pntic.mec.es) oro use el enlace directo: http://tinyurl.com/y8ssyc5

Cid R (2005) Contextualized magnetism in secondary school: learning from the LHC (CERN). Physics Education 40: 332-338. doi: 10.1088/0031-9120/40/4/002

Cid X, Ramón C (2009) Taking energy to the physics classroom from the Large Hadron Collider at CERN. Physics Education 44: 78-83. doi: 10.1088/0031-9120/44/1/011

Landua R, Rau M (2008) El LHC: acercándose al Big Bang. Science in School 10: 26-33. www.scienceinschool.org/2008/issue10/lhcwhy/spanish

Recursos en la red

w1 – La tira cómica (en inglés y español) y las instrucciones de montaje y uso completas para la cámara de niebla se pueden encontrar en la web de uno de los autores: http://palmera.pntic.mec.es/~fbarrada/cc_supp_mat.html

w2 – Ver, por ejemplo, la introducción al LHC y los cálculos simples sobre la física de los aceleradores (Física en el LHC) de la web ‘Acercándonos al LHC’: http://www.lhc-closer.es

w3 – La web del programa del CERN para profesores de secundaria (http://teachers.web.cern.ch) incluye también una galería de imágenes de cámaras de niebla que encaja muy bien con nuestro proyecto. Ver el enlace directo: http://tinyurl.com/yfbv8ls

Recursos

Para una introducción breve de la física de partículas dirigida al público general, ver:

Close FE (2004) Particle Physics: A Very Short Introduction. Oxford, UK: Oxford University Press. ISBN: 9780192804341

La web (traducida al castellano) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, ‘The Particle Adventure: the Fundamentals of Matter and Force’: www.particleadventure.org

El centro virtual de visitantes del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC (y particularmente las secciones de teoría, detectores y rayos cósmicos): www2.slac.stanford.edu/vvc

La web de CERN: http://public.web.cern.ch/public/en/Research/Detector-en.html

Para una discusión de cómo se tratarán en el gran colisionador de hadrones (LHC) del CERN las grandes cuestiones de la fisica de partículas ver:

Landua R (2008) The LHC: a look inside. Science in School 10: 34-47. www.scienceinschool.org/2008/issue10/lhchow

Si se buscan introducciones más detalladas pero aún accesibles, pensadas para personas con educación científica y a las que no asuste un poco de matemáticas, nuestras recomendaciones son:

Barnett RM et al. (2000) The Charm of Strange Quarks: Mysteries and Revolutions of Particle Physics. New York, NY, USA: AIP Press. ISBN: 0387988971

Treiman SB (1999) The Odd Quantum. Princeton, NJ, USA: Princeton University Press. ISBN: 0691009260
El libro de Treiman es uno de los mejores para empezar a abordar las sutilezas de la mecánica cuántica en la física de partículas (que hemos evitado en este artículo), incluyendo las partículas virtuales y las inestables así como la relación entre campo y partícula.

Para saber más sobre los rayos cósmicos, ver la web Cosmicopia de la NASA: http://helios.gsfc.nasa.gov/cosmic.html

Nosotros, como otros muchos, hemos aprendido a construir cámaras de niebla gracias a la web de Andy Foland: www.lns.cornell.edu/~adf4/cloud.html

El Museo Americano de Historia Natural tiene una web que incluye una versión ilustrada de los pasos principales del montaje de una cámara de niebla: www.amnh.org/education/resources/rfl/web/einsteinguide/activities/cloud.html

No es fácil explicar en detalle los procesos de sobresaturación y formación de trazas, ni justificar la elección de líquido activo (isopropanol en nuestro caso) ya que dependen de forma compleja de las energías de ionización , presiones de vapor, velocidades de difusión y otros aspectos ingenieriles de la cámara. Si quiere estudiarlo más en profundidad, vea la bibliografía suplementaria en la web de uno de los autores: http://palmera.pntic.mec.es/~fbarrada/cc_supp_mat.html

Este es un artículo de Science in School que describe la medida del radón en las viviendas:

Budinich M, Vascotto M (2010) El ‘estudio escolar del radón’: mida la radioactividad de su hogar. Science in School 14: 54-57. www.scienceinschool.org/2010/issue14/radon/spanish

Si ha disfrutado de esta u otras actividades para la enseñanza contenidas en este número de Science in School, consulte nuestra colección de actividades didácticas (algunas traducidas al castellano) en: www.scienceinschool.org/teaching

Francisco Barradas-Solas estudió Física en la Universidad y es profesor de Física y Química en Enseñanza Secundaria aunque ahora trabaja temporalmente como asesor para la Consejería de Educación de la Comunidad de Madrid. Entre sus intereses principales está la introducción de la física de partículas en las escuelas y ha tomado parte en varios programas del CERN para profesores.

Paloma Alameda-Meléndez se graduó en Química en la Universidad y es profesora de Física y Química en el Instituto de Enseñanza Secundaria de El Álamo, cerca de Madrid.

Opinión

Los rayos cósmicos están compuestos por partículas que vienen del espacio y chocan contra la atmósfera terrestre, dando lugar a una lluvia de partículas secundarias que pueden estudiarse en la superficie de la Tierra. Normalmente, los estudiantes de enseñanza secundaria sólo pueden leer sobre estas partículas o estudiarlas mediante simulaciones a pesar de que estas partículas están atravesando nuestros cuerpos continuamente.

Francisco Barradas-Solas y Paloma Alameda-Meléndez presentan la idea de que los estudiantes pueden usar las cámaras de niebla como un instrumento que les permita llevar a cabo sus propias investigaciones experimentales sobre la radiación. También dan detalles sobre la construcción de una cámara de niebla,lo que se puede hacer en la escuela sin mucha dificultad. Eso permite a los estudiantes observar estas partículas subatómicas en el aula haciendo visibles sus trazas.

Vangelis Koltsakis, Grecia

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Recomendaciones del revisor (referee): Física, Física de partículas