Fabricar una cámara de niebla para ver la traza de partículas subatómicas y maravillarse del mundo cuántico, es posible y con bajos costes. Se pueden ver las trazas de partículas \alpha, que son núcleos de 4He con dos protones y dos neutrones, pero desnudos de electrones. También se pueden observar rayos \gamma que son fotones de alta energía, aunque son más raros. Del estilo del electrón aparecen partículas \beta o electrones libres, y muones que son partículas también con la carga negativa del electrón pero pero 200 veces más pesados y de vida mucho más corta.
Índice
Principios físicos de la cámara de niebla
Una cámara de niebla se basa en un recipiente estanco con una mezcla de gases. Uno de ellos estará sobreenfriado, y esto significa que la menor perturbación provocará que se condense. Las partículas que se desea detectar ionizan este gas, y los iones generados actúan como núcleos de condensación en el gas sobreenfriado, formando una traza de condensación parecida a una niebla en la mezcla. Se aprecia algo parecido a la clara línea producida por un avión surcando el cielo, pero en este caso la causante es una partícula subatómica moviéndose a través del gas, prestando su energía para la ionización de los átomos.
La ionización es la pérdida o ganancia de electrones por los átomos y en la práctica es muy fácil de conseguir. Simplemente frotando un globo con la manga del jersey ya pierde electrones, y se puede confirmar que atrae el pelo o pedacitos de papel por motivo de la electricidad estática producida.
Cómo construir la cámara de niebla.
Se requieren éstos materiales
- Una pecera de unos 6 litros
- Una base de porexpan para la pecera
- Una tapa de aluminio negro para la pecera
- Un trozo de fieltro, un poco de cinta aislante
- Un extintor de CO2 de kilo y medio
- Un botecillo de alcohol isopropílico de la farmacia
Se aplica por el interior de la pecera un ribete de fieltro, si es autoadhesivo mejor. El fieltro se moja bien con el alcohol, y se tapa la pecera por la cara opuesta. Se cierra herméticamente la tapa con cinta aislante y se le da la vuelta al conjunto. Quedará la base negra en la parte inferior, esto dará el contraste necesario para apreciar las trazas de las partículas.
En este caso se ha construido además una iluminación especial con unos cartones y una tira de led entre ellos. Este montaje emite un bloque de luz horizontal, con lo que se minimizan los reflejos no deseados. Esto permite grabar la escena directamente con un teléfono móvil apoyado sobre la tapa superior de cristal.
Por otra parte se vacía el extintor en una funda de almohada vieja, que capturará el CO2 en forma sólida. No se debe olvidar tomar precauciones porque será expelido casi a -80℃. Se reparte el CO2 capturado en la base de porexpán, y sobre él se sitúa la pecera que se ha montado antes con la tapa de aluminio negro en contacto con el CO2 sólido. La técnica de obtener el CO2 de un extintor tiene la ventaja de que se puede almacenar hasta el día de su utilización. La compra de CO2 en cajas tiene el inconveniente de que hay que consumirlo posiblemente la misma semana de la compra.
Al cabo de unos minutos el alcohol irá cayendo en una fina nube, y al llegar a la parte inferior se sobre enfriará. Esta nube artificialmente creada se convierte en el caldo de cultivo perfecto para los núcleos de condensación. Iluminando bien por un lado con un foco se puede encontrar un ángulo en el que apreciar las trazas de las partículas.
Detección de partículas alfa y gamma.
Una forma de pescar una espectacular partícula \alpha es conseguir una muestra de Americio 241Am de un detector de humo, e introducirlo en la cámara de niebla. Este átomo es demasiado grande para ser estable, y no existe en la naturaleza. Lo fabrica el ser humano en reactores nucleares a partir de plutonio, y luego se le da un uso industrial. Se descompone de forma natural en una partícula \alpha 4He y Neptunio 237Np. Notemos que en este caso el número de nucleones totales se mantiene. La partícula \alpha es lo bastante grande para ser una partícula libre. No avanza más que en un par de centímetros antes de absorber dos electrones, y se disuelve en el gas circundante como un átomo de helio normal.
La partícula \alpha al ser expedida por su núcleo, en algunas ocasiones puede excitar la corteza de electrones al atravesarla. Al volver los electrones a su nivel fundamental emiten el exceso de energía en un fotón \gamma característico de 59KeV. Este proceso tiene una probabilidad bastante baja comparada con la probabilidad de emisión \alpha, de modo que podemos esperar ver 50 partículas \alpha por segundo, y quizá un solo fotón \gamma en 10 minutos. Una buena opción es grabar la sesión y revisar después lo que se ha pescado.
Se han conseguido las imágenes de abajo con el montaje expuesto.
Partículas \alpha 
Rayo \gamma arriba izquierda
Abajo se muestra un espectacular momento en el que un fotón \gamma recorre 20 cm por el gas desde la muestra. Además se cuela algún muón por la derecha, aparte de los \alpha del 241Am, y todo en la misma secuencia. Merece la pena grabar la sesión para poder ver con una regla que el fotón \gamma se emite desde el centro de la muestra, y también para que no se pierda el momento.
Rayo \gamma abajo a la izquierda.
Detección de partículas beta.
Una partícula \beta es un electrón libre. Si es lento se identifica enseguida porque pesa muy poco y va rebotando al azar contra las moléculas del gas que son miles de veces más pesadas que él; tal que la trayectoria es parecida a la del movimiento browniano. Aquí van algunos ejemplos capturados en esta cámara de niebla. La traza es muy tenue y dura poco, por eso se ha preferido publicar fotografías.
Detección de muones.
Que es un muón
Según el modelo estándar de partículas, que es el modelo aceptado para la descripción fundamental de la materia, existen tres familias de partículas materiales (fermiones). Son llamadas familia del electrón, familia del muón y familia del tauón. Las familias se distinguen por la masa de sus correspondientes partículas, y se suelen representar en su respectiva propia columna en el diagrama de abajo. Cada familia de fermiones es más pesada que la anterior. Por otra parte están los bosones que son las partículas portadoras de las fuerzas.
Toda la materia normal y estable que se encuentra en la Tierra está hecha de fermiones de la primera columna. Las familias del muón y tauón son más pesadas e inestables, y la vida media típica de una partícula de estas es menor de un segundo. Se producen como consecuencia de colisiones de alta energía de rayos cósmicos (protones sobre todo) contra la atmósfera, o pueden ser producidas masivamente en colisionadores y reactores nucleares.
Qué es un rayo cósmico
Tenemos la suerte de que a la tierra llegan constantemente rayos cósmicos, que son en su mayoría protones que viajan casi a la velocidad de la luz. Son producidos en el sol y también en supernovas, con lo que estos últimos tardan en llegar a la tierra miles de años. Al impactar contra la atmósfera superior, convierten su gran energía cinética en materia, a lo que se llama ducha de partículas. Una ducha puede ser de millones de ellas.
Abreviadamente diré que muchas de estas partículas se desintegran en la atmósfera, pero algunas de ellas llegan hasta el nivel del suelo pasando por varias etapas de desintegración convertidas en muones. El estudio de este fenómeno ha permitido entre otras cosas demostrar la dilatación del tiempo predicha por la teoría de la relatividad especial.
Sólo por curiosidad comentaré que los rayos cósmicos se pueden ver directamente con los ojos, y esto les sucede a los astronautas, fenómeno que se denomina fosfeno. Los rayos cósmicos pueden atravesar el casco de una nave espacial que no lleve escudo suficiente para detenerlos, con lo que penetran en la cabeza del astronauta y arrancan electrones de su retina, lo que se percibe como pequeños destellos que se repiten cada pocos minutos. La atmósfera sirve de escudo a los rayos cósmicos directos, y por eso este efecto no se da en la superficie de la Tierra.
Cómo se detectan los muones en la cámara de niebla
Los muones tienen la particularidad de que pueden atravesar una casa y llegar hasta donde se haya instalado la cámara de niebla. De hecho se han usado para estudiar el interior de las pirámides de Egipto. Se estima que pueden llegar 10.000 muones al suelo por m² y minuto, aunque el dato varía dependiendo de la zona de la tierra.
Los muones pueden ionizar muchos átomos de gas debido a su energía, y se detectan en la cámara de niebla como líneas gruesas y rectas que no rebotan al azar, al contrario de los electrones.
Pueden capturarse trazas compatibles con muones cada cinco minutos aproximadamente, dependiendo de las dimensiones de la pecera.
Espero que hayan gustado las posibilidades de éste experimento de construcción de una sencilla cámara de niebla. Cualquier comentario, sugerencia, etc. como siempre, son bienvenidos.
Otras fuentes
https://es.wikipedia.org/wiki/Cámara_de_niebla
https://es.wikipedia.org/wiki/Muon
https://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_estándar de la física de partículas