Rayos Cósmicos

La sección de astronomía del LCF presenta el trabajo de astrofotografía del LCF, así como sus estudios de radioastronomía.  También podrán observar en tiempo real, la actividad radioeléctrica (eventos eruptivos y de alta energía) del Sol a través del radiotelescopio de onda corta del LCF.  Incluímos también la detección de partículas producto de la radiación cósmica que incide sobre la Tierra.

Detector de Radiación Cósmica via Muones LCF.

1.   La radiación cósmica está formada por partículas subatómicas de alta energía. Partículas provenientes del espacio exterior, es decir, de fuera dell Sistema Solar. Estas partícular producen lluvias de partículas secundarias que penetran e impactan la atmósfera terrestre. En ocasiones llegan directamente a la superficie.
   

1.   Las partículas que forman los rayos cósmicos son principalmente protones y núcleos atómicos. Su origen es incierto. Los datos del telescopio espacial Fermi en 2013, han sido interpretados y sugieren que una fraccion significativa de los rayos cósmicos se originan por supernovas de estrellas masivas. Sin embargo este no es su único origen.
   

1.   El término “rayo” es un accidente histórico, ya que inicialmente se pensó erróneamente que la radiación cósmica se debía a una naturaleza de radiación electromagnética. Hoy día las partículas de alta energía con masa intrínseca se conocen como rayos “cósmicos” y fotones (partículas de luz) que en conjunto forman la radiación electromagnética (y no tienen una masa intrínseca como la luz) Estos rayos se conocen como rayos Gamma o rayos X. Dependiendo de sus frecuencias.
   

1.   Los rayos cósmicos atraen gran interés práctico, debido al daño que producen en la microelectrónica y la vida fuera de la protección de nuestra atmósfera y el campo magnético terrestre.
   

1.   Las partículas de los rayos cósmicos poseen energías del orden de los 3x10e20 eV, o unas 40 millones de veces la energía de las partículas aceleradas artificialmente en el Gran Colisionador de Hadrones. La energía cinética de las partículas mas energéticas de los rayos cósmicos, son equivalentes a la de una pelota de baseball acelerada a 90 km/hr. No todas las partículas que forman los rayos cósmicos tienen esa energía extrema, la mayoría solo alcanza los 0.2 gigaelectronvolts.
   

1.   De los rayos cósmicos que se originan fuera de la atmósfera terrestre, el 99% aproximadamente son núcleos atómicos (sin sus electrones) ampliamente conocidos. Y el 1% son electrones solitarios sin su núcleo, similares a las partículas beta. De los núcleos el 90% son simples protones. Como ejemplo núcleos de hidrógeno. 9% son de partículas alfa y el 1% son nucleos de elementos mas pesados. Menos de un 1% en ocasiones está presente como partículas que se asumen como antimateria, tal es el caso de positrones o antiprotones. La precisa naturaleza de esta fracción remanente es un área activa de investigación. Una búsqueda activa desde órbita terrestre para encontrar partículas antialfa ha sido poco exitosa.
   

1.   Los radiación cósmica se puede detectar por diversos métodos. Los mas usuales son los relacionados con la detección de partículas secundarias, producto de la penetración en la atmósfera de partículas altamente energéticas. Tal es el caso de los Muones. Partículas subatómicas que pesan unas 200 veces mas que un electrón. Por ello tienen grandes energías cinéticas y pueden penetrar estructuras antes de detenerse debajo de la superficie terrestre.
   

1.   Los Muones son mas penetrantes que los rayos X. En promedio en un segundo puede en un área similar a la mano humana, traspasarla un Muon. En un área de un metro cuadrado, podrían capturarse alrededor de 10,000 Muones por minuto.
   

1.   Los Muones requieren grandes cantidades de energía para formarse. Ni siquiera eventos de decaimiento radioactivo, fusión o fisión nuclear los pueden producir. En la Tierra, los Muones que ocuren son creados por rayos cósmicos, que consistena en protones y que como ya lo mencionamos, provienen del espacio profundo, portando altísimas energías.
   

1.   Cuando un protón asociado a rayos cósmicos impacta a un núcleo atómico en la alta atmósfera, se crean partículas llamadas Piones. Estos Piones decaen en una distancia relativamente corta convirtiéndose en Muones y Neutrinos-Muon.
   

1.   Los Muones de estos rayos cósmicos de alta energía continuan en la misma dirección del protón que los originó, a una velocidad mucho muy cercana a la de la luz. Sin los efectos relativistas, un Muon podría recorrer tan solo unos 660 m de distancia. Pero como viajan muy cerca de la velocidad de la luz, los Muones pueden llegar hasta la superficie terrestre gracias a la teoría de la relatividad que les proveé del doble de su tiempo de vida. Los muones pueden penetrar cualquier material ordinario tal como los Neutrinos. Los Muones al igual que éstos últimos pueden ser detectados bajo tierra hasta unos 700 m de profundidad.
   

1.   El detector de rayos cósmicos del LCF es de tipo medidor de radiación ionizante (contador Geiger). Consta de dos detectores de radiación (tubos Geiger) que se conectan a un circuito electrónico detector de coincidencias. Ambos tubos están físicamente colocados uno sobre del otro. Esta geometría nos permite detectar solo las partículas subatómicas provenientes del cenit (punto sobre nuestra cabeza). Esto asegura que las partículas que crucen los dos tubos Geiger sean detectadas en coincidencia de cruce por ambos. Eso solo ocurre con una partícula tipo Muon que tenga la misma dirección de viaje del protón que la generó proveniente del espacio exterior. El detector de coincidencias envía una señal a un servidor que lleva la cuenta por minuto de Muones chocando coincidentemente con ambos detectores y al mismo tiempo grafica los resultados. Posteriormente cada cinco minutos los envía hacia el servidor web del LCF.
   

1.   Diagrama de detección por coincidencia. Aquí se muestran los detectores (1 y 2) uno sobre de otro. Una partícula subatómica de alta energía cruzando ambos con traza en azul y origen cósmico. Otra partícula con traza roja de origen terrestre ya que no cruza por ambos detectores. Ambas señales de los detectores se alimentan al Detector de Coincidencias, En la tabla a la derecha, se puede matemáticamente deducir si es o no un Muon el detectado.
   

1. a.Primera línea, estado 0 (no detección en ambos tubos Geiger). No hay Muon detectado.
   

2. b.Segunda línea, estado 1 (detección en primer tubo Geiger) y estado 0 (no detección en segundo tubo Geiger). No hay evento coincidente entre tubos Geiger. No hay Muon detectado.
   

3. c.Tercera línea, estado 0 (no detección en primer tubo Geiger) y estado 1 (detección segundo tubo Geiger). No hay evento coincidente entre tubos Geiger. No hay Muon detectado.
   

4. d.Cuarta línea, estado 1 y 1 (detección en ambos tubos Geiger). Muon detectado y se procede a contabilizarlo y graficarlo a través de un servidor
   

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1.   En la gráfica se muestra en el eje de las X el tiempo de registro. Estampas de tiempo permiten identificar en que intervalo se han registrado las detecciones de Muones. En el eje de las Y, (CPM) se muestran los conteos por minuto. El número de detecciones de Muones producto de los rayos cósmicos. A la izquierda inferior se muestra la hora de la última actualización del gráfico. Este se carga automáticamente desde el servidor del detetor de rayos cósmicos, cada cinco minutos. Se muestra una línea adicional (curva suave) de la tendencia de incidencias de Muones sobre el instrumento. Debajo al centro se muestran los resultados estadísticos del estudio. Promedio, desviación estándard, valor mínimo y máximo de conteos registrados para el intervalo de tiempo de la gráfica.

Detector de Radiación Cósmica

via Muones LCF

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