Em qualquer momento, a atmosfera da Terra é banhada por raios cósmicos de alta energia que foram emitidos por supernovas e outros fenômenos astrofísicos muito além do Sistema Solar. Quando os raios cósmicos colidem com a atmosfera da Terra, eles decaem em múons - partículas carregadas que são ligeiramente mais pesadas que um elétron.

Os múons duram apenas frações de segundo, e durante sua vida fugaz, eles podem ser encontrados em todas as camadas da atmosfera da Terra, circulando no ar ao nosso redor e chovendo na superfície a uma taxa semelhante a uma garoa leve. Uma pequena fração de múons pode até mesmo penetrar na superfície da Terra e viajar vários quilômetros através de rochas e gelo.

Agora, os físicos do MIT projetaram um detector de múons de raios cósmicos de bolso para rastrear essas partículas fantasmagóricas. O detector pode ser feito com peças elétricas comuns, e quando ligado, ele acende e conta cada vez que um múon passa. O dispositivo relativamente simples custa apenas US $ 100 para construir, tornando-o o detector de múon mais acessível disponível atualmente.

Os pesquisadores, liderado por Spencer Axani, um estudante de pós-graduação no Departamento de Física do MIT, projetamos o detector pensando nos alunos. Eles começaram um programa de divulgação chamado CosmicWatch, com um site que lista as peças para compra e instruções detalhadas sobre como montar, calibrar, e execute o detector. A equipe estima que um aluno médio do ensino médio deva gastar cerca de quatro horas construindo um detector pela primeira vez, e apenas uma hora construindo uma segunda vez.

Uma vez instalado e funcionando, os detectores podem ser transportados para medir as taxas de múon em praticamente qualquer ambiente. A equipe ajudou a fornecer cerca de 100 detectores para alunos do ensino médio e universitários, que enviaram os instrumentos em aviões e balões meteorológicos para medir as taxas de múon em grandes altitudes. Os alunos também, como Axani fez, levado os detectores para o subsolo.

"Você ganha olhares engraçados quando leva detectores de partículas para o metrô, mas fizemos isso em Boston, "Axani diz." Uma vez que a taxa de múon diminui à medida que você desce, colocamos os detectores em uma estação de metrô para medir a que distância estávamos no subsolo. "

Os pesquisadores publicaram a primeira versão do design do detector no American Journal of Physics . Os co-autores de Axani são a professora de física do MIT, Janet Conrad, e o júnior Conor Kirby. Detalhes sobre sua versão mais recente podem ser encontrados na página da Web da CosmicWatch.

Tesouro no lixo

Axani originalmente pretendia construir um pequeno, detector de múons de mão como um complemento em miniatura para o IceCube, um enorme detector de partículas envolto em gelo, profundamente no subsolo no Pólo Sul. IceCube é projetado para detectar partículas subatômicas chamadas neutrinos.

Cientistas do observatório propuseram que um pequeno detector de múon pudesse ser inserido no PINGU (Atualização de próxima geração do Precision IceCube), uma matriz proposta que aumentaria a sensibilidade do detector a neutrinos de baixa energia. Detectores de múon pequenos, enterrado em tal matriz, seria capaz de marcar a posição precisa dos múons, permitindo aos cientistas filtrar essas partículas em sua busca por neutrinos.

Axani assumiu a tarefa de projetar um detector de múon protótipo para uso no PINGU. Os detectores de múon típicos consistem em tubos fotomultiplicadores revestidos com um cintilador, um material que emite luz quando atingido por uma partícula carregada. Quando uma partícula como um múon salta através do detector, o tubo fotomultiplicador multiplica a corrente produzida pela luz emitida. Desta maneira, até mesmo um único fóton pode criar uma corrente grande o suficiente para ser medida. Isso é usado para determinar se um múon ou outra partícula passou pelo detector.

Embora a maioria dos detectores de múons em escala de laboratório sejam feitos de grandes, fotomultiplicadores volumosos e baterias ainda maiores para alimentá-los, Axani procurou maneiras de reduzir o design.

Depois de vasculhar equipamentos eletrônicos descartados no MIT, ele encontrou os componentes de que precisava para construir um dispositivo muito mais fino, exigindo muito pouca energia.

Ele também projetou componentes eletrônicos e de software simples para exibir o número de múons que passam pelo detector, tornando o detector um instrumento de leitura e medição independente.

Um projeto decola

Desde que Axani tentou projetar um protótipo pela primeira vez, seu projeto se transformou em mais um esforço de divulgação, como ele percebeu que os componentes usados ​​para construir o detector são relativamente comuns, facilmente acessível, e simples de montar - todas as qualidades ideais para ensinar física de partículas aos alunos.

Ele, Conrad, e um colega do Centro Nacional de Pesquisa Nuclear da Polônia, K. Frankiewicz, montaram kits para alunos, que pode ser usado para construir detectores portáteis individuais do tamanho de um grande telefone celular. Cada kit inclui um pedaço de cintilador de plástico, um fotomultiplicador de silício SensL, um Arduino Nano, uma tela de leitura, uma placa de circuito impresso de design personalizado, e um invólucro impresso em 3-D, disponível em um arco-íris de cores.

A equipe forneceu kits para alunos da Universidade de Varsóvia, na Polônia, bem como a Universidade de Ciência e Tecnologia de Missouri, onde os alunos construíram uma série de detectores e os enviaram em balões meteorológicos para medir múons em grandes altitudes. Os alunos também colocaram os detectores em planos para medir as diferentes contagens de múons em várias altitudes.

"Ao nível do mar, você pode ver uma contagem a cada dois segundos ao nível do mar, mas em um avião em altitude de cruzeiro, essa taxa aumenta cerca de um fator de 50 - uma mudança dramática, "Axani diz." A partir da taxa medida, você pode calcular de volta qual era a altitude real do avião. "

Um grupo da Universidade de Boston também está investigando as possibilidades de colocar os detectores de múons em foguetes suborbitais, atingindo altitudes de 100, 000 pés.

"Quando você subir alto o suficiente, você sai da região de produção de múon dos raios cósmicos, e você pode começar a ver o volume de negócios, onde as taxas de múons aumentam em uma determinada altitude e, em seguida, começam a diminuir além de uma determinada altitude, "Conrad diz.

Eventualmente, os pesquisadores gostariam de aplicar seu detector de bolso como meio de tomografia de múon, uma técnica que usa a distribuição de múons para criar uma imagem tridimensional da quantidade de material ao redor de um detector. Cientistas no passado usaram instrumentos de tomografia de múon, muito parecido com raios-X ou tomografias computadorizadas, para descobrir estruturas geológicas, o mais famoso dos quais foi um esforço na década de 1960 para procurar câmaras escondidas na Pirâmide de Chephren, em Gizé.

"Isso é algo que eu gostaria de experimentar em algum momento, talvez para mapear o escritório no andar acima de mim, "Axani diz." Por enquanto, gosto de levar esses detectores na minha pasta e medir a taxa de múon quando estou viajando. "

Os pesquisadores continuarão a oferecer kits no site da CosmicWatch, junto com instruções sobre como montá-los e aplicá-los. Eles também esperam obter feedback de alunos e educadores que usaram os kits.

"Este é um exemplo muito bom de como a física esotérica pode produzir algo que é diretamente útil, "Conrad diz.