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Equipo de investigadores PUCP estudian partículas elementales

Un equipo de estudiantes y docentes del Grupo de Altas Energías (GAE-PUCP) está fabricando detectores portátiles y económicos de muones. El estudio de estas partículas elementales abre el camino para aplicaciones en dosimetría y tomografía.

Autor: Oscar García | Fotos: Juan Pablo Azabache

Aunque no lo veamos, cada minuto, un muon pasa por un área equivalente al tamaño de una uña en la superficie de la Tierra. Los muones son partículas elementales que poseen la misma carga eléctrica que un electrón, pero tienen 207 veces su masa. Se producen cuando un protón –que puede provenir de esta u otra galaxia– interactúa en la atmósfera terrestre. La reacción genera, en primera instancia, partículas como los piones y kaones. Cuando estas desaparecen, aproximadamente a 15 km de la superficie terrestre, surgen los muones, que llegan a la Tierra por millones y son parte de la radiación que recibimos normalmente.

La importancia de estudiarlos radica en la información que nos brindan acerca del universo, además de las potenciales aplicaciones que se pueden realizar con ellos. Por eso, en el marco del Grupo de Altas Energías (GAE – PUCP), un grupo de estudiantes y docentes de la Especialidad de Física, liderados por José Bazo, doctor en Física Experimental por la Universidad Humboldt de Berlín, y con la asesoría de Alberto Gago, doctor en Ciencias por la Universidad de Sao Paulo, realizan una investigación que consiste en la construcción, simulación y caracterización de un detector portátil y económico de muones. El proyecto se vio impulsado por la obtención, en el 2018, del Programa de Apoyo a la Iniciación en la Investigación (PAIN) a las alumnas Lucía Coll y Alicia Pérez, quienes junto con el estudiante Franco Delgado y el egresado Joaquín Masías forman parte del proyecto.

CIENCIA BÁSICA E INNOVACIÓN

En el techo del edificio de la Especialidad de Física hay tres detectores aislados, uno sobre otro. Que la medición se haga en este lugar responde a que aquí no hay mayor alteración, a diferencia de una habitación, donde los muones interactúan con las paredes.

Por fuera, el detector es una caja protectora de aluminio. Adentro se encuentra un bloque rectangular de plástico centellador de 5 cm x 5 cm x 1 cm, que se encarga de absorber parte de la energía que los muones dejan a su paso. Posteriormente, esta es captada por el fotomultiplicador, que consiste en un sensor de silicio que detecta muy poca luz. Para procesar la señal, hay unos circuitos sencillos y un controlador.

El Dr. Bazo lo explica claramente: “En el proceso hay dos partes básicas: la generación de la luz y su detección. Lo que hacemos, finalmente, es contar cuántas partículas están pasando”. Al haber tres detectores en una configuración lineal, se puede determinar la trayectoria por donde pasan los muones.

Actualmente, este grupo cuenta con tres detectores fabricados por ellos mismos y esperan construir ocho más. La evolución que ha tenido ha sido agigantada, especialmente si se considera que todo empezó el verano del año pasado. Fue en ese momento que los integrantes del grupo se ente señalaba los pasos y materiales necesarios para hacerlo.

“Al comienzo, nos enviaron detectores y componentes del MIT, gracias al contacto que mantenemos con un egresado de la Maestría en Física de la PUCP, el Dr. Carlos Argüelles, quien trabaja en el mismo grupo del MIT. Después, buscamos aprender cómo se construían”, comenta el Dr. José Bazo. Así empezaron a diseñar sus propios detectores en nuestra Universidad.

APLICACIONES

Una de las partes más importantes de este proyecto es la enseñanza y entrenamiento que brinda a los alumnos de pregrado de Ciencias. Al involucrarse en la parte experimental de física de partículas, ellos adquieren conocimientos físicos en la práctica, armado y caracterización de detectores, electrónica, simulación y análisis de datos. “Lo que están aprendiendo no es juego, pues lo pueden extrapolar a mayor escala. Esos detectores pequeños que construyen hacen lo mismo que aquellos de gran tamaño que existen en los distintos aceleradores y laboratorios del mundo”, señala el Dr. Gago. Así lo reafirma la alumna Alicia Pérez: “Al interesarme la física experimental, me sirve mucho aprender desde programar hasta analizar los datos”.

Además, en nuestra Universidad se han verificado otras aplicaciones para este detector. Una de ellas es utilizarlo como dosímetro; es decir, para medir radiación ionizante de fuentes radiactivas. También se puede usar para medir densidades. “Pones un detector a cada lado y observas las partículas que pasan. Aquellas que se quedan indican, aproximadamente, la densidad”, comenta el Dr. Gago.

Otra aplicación es realizar tomografía no invasiva con muones de estructuras geológicas y arqueológicas, así se aprovecha que estas partículas pueden atravesar una gran cantidad de materia. Por ejemplo, en un experimento publicado por la revista Nature, un equipo internacional de científicos realizó una radiografía al interior de la gran pirámide de Keops de Egipto. “Así se puede observar si hay cavidades dentro, debido a la diferencia de densidades”, detalla el Dr. Bazo.

Como se ve, estas partículas elementales producidas en la atmósfera ayudan a la vida académica de los estudiantes de Física en la medición de densidades y radiación y, en un futuro, en la tomografía.

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