Buscando las partículas más energéticas del Universo
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Buscando las partículas más energéticas del Universo ¿De qué vamos a hablar? El Modelo Estándar y los Modelos Atómicos La ionización y radiación Introducción, teoría Práctica: Atenuación de la Radiación Los Rayos Cósmicos Introduccíon, teoría Práctica: Detección de Rayos Cósmicos Observatorio de Pierre Auger Conclusiones El Modelo Estándar Nos encontramos con MUCHAS TEORÍAS, MUCHAS LEYES que rigen el universo­­­>HAY QUE UNIFICAR todo esto. Se nos presenta como una toería fundamental, que CONSIGUE DESCRIBIR PERFECTAMENTE y a todos los niveles TODOS LOS FENÓMENOS DEL UNIVERSO EXCEPTO LA GRAVEDAD Las fuerzas del universo Hay 4 fuerzas o interacciones que rigen el universo FUERZA GRAVITATORIA FUERZA ELECTROMAGNÉTICA FUERZA NUCLEAR DÉBIL FUERZA NUCLEAR FUERTE Estras 3 últimas han conseguido ser unificadas en la llamada FUERZA ELECTRODÉBIL­FUERTE, pero la GRAVEDAD continúa funcionando APARTE. la GRAVEDAD continúa funcionando APARTE Las partículas del universo Forman la materia: Hadrones: Son los quarks, que según sus características pueden ser: Up, Down,Charm,Strange,Top o Bottom Leptones Negativos: Electrón, Muón, Tau Neutros: Neutrino electrónico, muónico y de tau. Las partículas del universo II Son las causantes de las fuerzas y las interacciones: Gravitón (Fuerza gravitatoria, no hay evidencias de su existencia) Fotón (Fuerza electromagnética) Bosón W+ W­ y Z (Fuerza débil) Gluón (Fuerza fuerte) Los modelos atómicos El átomo: A­> NO TOMO­> DIVISIBLE Se empieza a teorizar sobre su existencia, pero sin usar el método científico en la Antigua Grecia­­>Demócrito Y a partir de entonces... Dalton: Recupera la idea abandonada de átomo. Thomson: incluye los conceptos de carga positiva y negativa en el átomo. Rutherford: Propone un modelo con gran cantidad de vacío, un núcleo positivo y electrones girando circularmente. Y a partir de entonces... Bohr: Incluye los niveles de energía, en los cuales los electrones se van distribuyendo en función de su cantidad y fuerza. Schrödinger: Este modelo, que es el más similar al actual, establece la posición del electrón como la zona con mayor probabilidad de encontrarlo (orbital). Radiación ¿Qué es la radiación? Transmisión de ondas o partículas – espacio o algún medio Ionizante – arranca e­ No ionizante – no iones Radiaciones ionizantes Radiaciones Ionizantes Práctica 1 Atenuación de la radiación Contador Geiger­ Müller Radio – Radón Radiación alfa Geiger­Müller Un cátodo cilíndrico atravesado por un ánodo. Detector relleno de gas. (radio) Materiales Papel Papel aluminio Laminas aluminio Laminas plomo Atenuación de la Radiación Atenuación de la Radiación Papel Papel de Aluminio 350 350 300 300 Cuentas (N). Error: 1,12 Cuentas (N). Error: 1,04 Gráficas 250 200 150 100 50 0 250 200 150 100 50 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 Nº de papeles 5 5,5 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Nº de papeles 4 4,5 5 5,5 Gráficas Atenuación de la Radiación Atenuación de la Radiación Aluminio Plomo 14 50 12 Cuentas (N). Error: 0,18 Cuentas (N). Error: 0,33 60 40 30 20 10 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Espesor 3,5 10 8 6 4 2 0 0 2 4 6 Espesor 8 10 12 Comparaciones Atenuación de la Radiación Comparación Papel y Papel de Aluminio 350 300 Cuentas (N) 250 200 Papel Papel de Aluminio 150 100 50 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Nº de Papeles 4 4,5 5 5,5 Comparaciones Atenuación de la Radiación Comparación Aluminio y Plomo 60 50 Cuentas (N) 40 Aluminio Plomo 30 20 10 0 0 2 4 6 Espesor 8 10 12 Conclusiones • • • • El material que más atenúa la radiación (de los utilizados) es el plomo. Por el contrario, el que menos lo hace es el papel de aluminio. Una vez un material ya consigue parar todas las partículas de un mismo tipo, por mucho que se aumente su grosor el número de partículas detectadas no disminuye. Hay que tener en cuenta a la hora de realizar las mediciones el intrínseco ruido de partículas. Detección de Rayos Cósmicos • • • • ¿Qué son? ­> partículas que llegan desde núcleos activos de galaxias y alcanzan la Tierra. ¿De qué están formados? ­> protones o núcleos de átomos. Cuando una partícula cósmica choca con el aire se produce una cascada de miles de millones de muones, electrones, positrones, fotones, neutrones... Clasificación Se diferencia entre eventos verticales e inclinados, ya que cada tipo tiene sus particularidades, lo que nos obliga a utilizar procedimientos diferentes para su análisis. Para ello se determina el ángulo (Ѳ) que se forma entre la dirección de llegada del rayo y la vertical. Si es mayor que 60º se dice que es inclinado; en caso contrario vertical. Clasificación Al determinar la inclinación podemos asimismo deducir el tipo de partículas que alcanzan el detector. Práctica: Detección de rayos cósmicos Esos rayos cósmicos que están llegando constantemente a la Tierra. ¿Cómo se detectan los rayos cósmicos? Usamos como detector de rayos cósmicos una máquina que consistía en: un plástico centelleador una guía de luz un fotomultiplicador. Usamos dos detectores para que únicamente contara cuándo había una coincidencia. La pregunta era: ¿CUÁNTO TARDAN EN ATRAVESARNOS 100 RAYOS CÓSMICOS?. Aquí se ve cuándo ambos detectores recibían una partícula. Resultados I) Ángulo de incisión de las partículas en el centelleador: 0º ­ 100 partículas t1 = 190 s. t2 = 161 s. ­media de frecuencia: 0,575 Hz II) Ángulo de incisión de los rayos cósmicos en el plástico centelleador: 90º ­ 100 partículas t = 115 s. ­ frecuencia única detectada: 0,87 Hz Detección de rayos cósmicos 180 Tiempo para 100 partículas: error 10% 160 140 120 100 0º 90º 80 60 40 20 0 0º 90º Inclinación Conclusiones Cuando inciden con 0º: TARDAN MÁS porque solo pueden entrar por un lado, pues por el otro la Tierra atenua (hasta hacerlos desaparecer) los rayos cósmicos. Cuando los rayos cósmicos inciden con 90º: En el plástico centelleador TARDAN MENOS EN LLEGAR A 100 porque pueden entrar tanto por la derecha como por la izquierda del plástico. Observatorio Pierre Auger • • • • Está emplazado en los departamentos de Malargüe y San Rafael, provincia de Mendoza, República Argentina. Se trata de un observatorio ”híbrido”, que consiste en un arreglo de detectores de superficie y un sistema de telescopios de fluorescencia atmosférica alta sensibilidad. Se trata de un proyecto internacional que cuenta con la participación de científicos de 18 países. Objetivo: determinar la naturaleza, energía y lugar de origen de los rayos cósmicos de más altas energías. Radiación Cherenkov Fue descubierta por el físico ruso Pavel A. Cherenkov a principios de los años 50, lo que le supuso el Nobel de Física en 1958. La radiación se explica con que una partícula de alta energía, que tiene que estar cargada eléctricamente, al atravesar un medio semitransparente en la que la luz no vaya a la misma velocidad que en el vacío, produce una luz azulada. Es un fenómeno muy común en los reactores nucleares. Detectores de Superficie Hay un total de 1600 detectores de superficie, separados entre sí por 1.5 km, aunque tenemos una zona, llamada Infill, donde hay una gran agrupación de detectores. La distribución de los detectores se dispone para poder registrar las cascadas de más de 5x1018 eV con 4 o 5 detectores. Están rellenos de 12 T de agua pura, para ver la radiación de Cherenkov. Detectores de Superficie ● El proceso consiste en que las partículas de las cascadas se introducen por el tanque porque son muy penetrantes y en el agua reflejan la radiación que captan los foto multiplicadores, que libera unos electrones, a su vez estos chocan contra unas láminas, multiplicándose y formando un pulso eléctrico. Esta corriente se registra en el detector y se envía a otras estaciones, informando del evento. Después se corrobora que otros detectores a su alrededor han registrado la cascada también. Detectores de Superficie inclinado->muy energético vertical-> poco energético Detectores de fluorescencia Captan la luz fluorescente producida por la cascada al atravesar la atmósfera. Cada telescopio consta de un espejo esférico, que concentra la luz de su área de visión sobre una cámara. Posee 440 pixeles, cada uno de los cuales es un tubo fotomultiplicador, sensible a la luz ultravioleta. Solo puede operar en noches despejadas sin luna. Detectores de fluorescencia Captan la energía dejada por la cascada en la atmósfera, gracias a esto podemos reconstruir con alta precisión la energía del rayo cósmico primario y su dirección de llegada. Representación 3D de un rayo cósmico registrado por dos detectores fluorescentes Representación 3D de una rayo cósmico registrado por los cuatro detectores fluorescencia Conclusiones • • • A la hora de realizar un trabajo de investigación, es mejor trabajar en equipo, e imprescindible utilizar el método científico. El Universo está en un continuo movimiento, es decir, es muy dinámico. La física teórica y experimental es en realidad diferente a tal y como se nos había presentado hasta el momento ”Una vez más vamos a discutirlo todo. No vamos a avanzar con las botas de 7 leguas sino a la velocidad del caracol. Lo que descubrimos hoy, lo borraremos mañana de nuestro pizarrón, para luego volver a escribirlo otra vez. Y a lo que deseábamos descubrir, lo vamos a mirar con desconfianza” BERTOLD BRECH, ”Galileo Galilei”, 1939 El mejor grupo de todos :) Lucía Fernand o Marcos Albert Ana Lorena Víctor
