Detectores de partículas

El principio fundamental de la cámara de niebla fue descubierto por el físico británico C. T. R. Wilson en 1896, aunque el instrumento no llegó a construirse hasta 1911. La cámara de niebla está formada por un recipiente con un diámetro de varios centímetros, o mayor, con una ventana de vidrio en un lado y un pistón móvil en el otro. El pistón puede bajarse rápidamente para aumentar el volumen de la cámara. Generalmente, la cámara está llena de aire libre de polvo, saturado con vapor de agua. Cuando se baja el pistón, el gas se expande rápidamente y su temperatura disminuye. El aire pasa a estar sobresaturado de vapor de agua, pero el vapor sobrante no puede condensarse si no hay iones. Las partículas nucleares o atómicas cargadas producen iones, y cualquier partícula de este tipo que pase por la cámara deja tras de sí una traza de partículas ionizadas (véase Ionización) sobre las que se condensa el exceso de vapor de agua, lo que hace visible la trayectoria de la partícula cargada. Estas trazas pueden fotografiarse, y las fotografías analizarse para obtener información sobre las características de las partículas.

Como las trayectorias de las partículas eléctricamente cargadas son desviadas por un campo magnético y su desviación depende de la energía de la partícula, las cámaras de niebla se sitúan frecuentemente en el interior de un campo magnético. Las trazas de partículas con cargas negativas y positivas se curvan en sentidos opuestos. Midiendo el radio de curvatura de cada traza puede determinarse la velocidad de las partículas. Los núcleos atómicos, como las partículas alfa, son más pesados y forman trazas gruesas y densas; los protones forman trazas de grosor medio, y los electrones forman trazas finas e irregulares. La cámara de niebla de difusión supuso una mejora del diseño de Wilson. En esta cámara se forma una capa permanente de vapor sobresaturado entre una región caliente y otra fría. La capa de vapor sobresaturado es sensible continuamente al paso de partículas, con lo que la cámara de niebla de difusión no depende de la expansión de un pistón para su funcionamiento. Aunque en la actualidad la cámara de niebla ha sido sustituida casi por completo por la cámara de burbujas y la cámara de destellos, se empleó en muchos descubrimientos importantes de la física nuclear.

La cámara de burbujas, inventada en 1952 por el físico estadounidense Donald Glaser, tiene un funcionamiento similar a la cámara de niebla. En una cámara de burbujas se mantiene un líquido bajo presión a una temperatura algo inferior a su punto de ebullición. La presión se reduce justo antes de que las partículas subatómicas atraviesen la cámara. Esto rebaja el punto de ebullición, pero durante un instante el líquido no hierve a no ser que se introduzca alguna impureza o perturbación; las partículas de alta energía constituyen esta perturbación. A lo largo de las trayectorias de las partículas que pasan por el líquido se forman minúsculas burbujas. Si se toma una fotografía justo después de que las partículas hayan atravesado la cámara, las burbujas permiten visualizar las trayectorias de las partículas. Como ocurre con la cámara de niebla, una cámara de burbujas situada entre los polos de un imán puede utilizarse para medir la energía de las partículas. Muchas cámaras de burbujas están equipadas con imanes de superconductores en lugar de imanes convencionales. Las cámaras de burbujas llenas de hidrógeno líquido permiten el estudio de las interacciones entre las partículas aceleradas y los núcleos de hidrógeno.

En una cámara de destellos, las partículas de alta energía ionizan el aire o el gas situado entre placas o rejillas cargadas alternativamente de forma positiva y negativa. A lo largo de las trayectorias de ionización saltan chispas, y fotografiando los destellos se visualiza la traza de las partículas. En algunas instalaciones, la información sobre las trayectorias de las partículas se suministra directamente a un ordenador o computadora sin que sea necesario efectuar fotografías. Una cámara de destellos puede manejarse de forma rápida y selectiva. El instrumento se puede ajustar para que sólo registre las trayectorias de las partículas cuando en una reacción nuclear se produce una partícula que interese estudiar. Esto es una ventaja importante en los estudios de las partículas menos frecuentes; sin embargo, las imágenes de cámaras de destellos carecen de la resolución y el detalle fino de las imágenes de cámaras de burbujas.

En los detectores se emplean muchas otras interacciones entre la materia y las partículas elementales. En los de semiconductores, por ejemplo, los pares electrón-hueco formados por las partículas elementales con carga eléctrica aumentan momentáneamente la conducción eléctrica, lo que permite detectar estas partículas. El detector de Cherenkov, por su parte, emplea un efecto descubierto por el físico ruso Pável Alexéievich Cherenkov en 1934: una partícula cargada emite luz cuando atraviesa un medio no conductor a una velocidad superior a la velocidad de la luz en dicho medio (la velocidad de la luz en cualquier medio transparente es menor que la velocidad de la luz en el vacío). En los detectores de Cherenkov, materiales como vidrio, plástico, agua o dióxido de carbono constituyen el medio donde se producen los destellos de luz. Al igual que en los contadores de centelleo, los destellos luminosos se detectan mediante tubos fotomultiplicadores.

Las partículas neutras como neutrones o neutrinos no pueden detectarse directamente con ningún detector, pero sí de forma indirecta a partir de las reacciones nucleares que tienen lugar cuando colisionan con los núcleos de determinados átomos. Los neutrones lentos producen partículas alfa, detectables con facilidad, al colisionar con los núcleos de boro del trifluoruro de boro. Los neutrinos, que apenas interaccionan con la materia, se detectan en depósitos enormes de percloroetileno (C₂Cl₄, un líquido para limpieza en seco). Los neutrinos que chocan con núcleos de cloro producen núcleos radiactivos de argón. El depósito de percloroetileno se vacía a intervalos regulares y se cuentan los átomos de argón que se han formado, presentes en cantidades mínimas. Este tipo de detector de neutrinos, situado a gran profundidad bajo tierra para evitar la radiación cósmica, se utiliza actualmente para medir el flujo de neutrinos procedente del Sol. Los detectores de neutrinos también pueden adoptar la forma de contadores de centelleo; en ese caso, los depósitos están llenos de un líquido orgánico que emite destellos de luz cuando es atravesado por partículas eléctricamente cargadas producidas por la interacción de los neutrinos con las moléculas del líquido.

Los detectores que se están desarrollando en la actualidad para su utilización en los anillos de almacenamiento y los haces de partículas incidentes de los aceleradores de última generación son un tipo de cámara de burbujas conocida como cámara de proyección temporal (véase Aceleradores de partículas). Estas cámaras pueden medir tridimensionalmente las trazas que dejan los haces incidentes, y cuentan con detectores complementarios para registrar otras partículas producidas en las colisiones de alta energía. En el CERN, por ejemplo, existen detectores de varios pisos de altura, formados a su vez por distintos tipos de detectores situados de forma concéntrica.