Descubriendo el CERN 2/3

Detectores. (1ª parte)

En la entrada de hoy no iremos directamente al grano, sino que haremos una breve exposición de los detectores que conocemos hoy en día, y los que se utilizaban hace años para reconocer zonas con radiación, el que permitió descubrir la antimateria, etc.

Sabiendo cuál es el tema de hoy y cómo vamos a plantear su exposición, empezaremos definiendo qué es un detector.

Los detectores son aparatos que muestran sucesos que no pueden ser detectados por los sentidos humanos. El propósito de los detectores de partículas es determinar las trayectorias, ángulos de difusión, energía e identidad de las partículas producidas.

Paseando por la historia,

- Contador Geiger: El paso de una partícula ioniza un gas. Los electrones producidos son acelerados por un campo eléctrico, ionizando otras moléculas a su paso.

Son utilizados para reconocer zonas con radiación.

- Cámara de burbujas: El paso de las partículas produce la formación de burbujas en un líquido.

Fue clave para descubrir la antimateria en el 1932.

- Centelleo y fotodetectores: Un centelleador es un material, por ejemplo el plástico, que emite luz (fotones) con el paso de una partícula cargada. Esta luz es muy débil, y para detectarla, se hacen servir dispositivos muy sensibles a la luz (fotodetectores). Un ejemplo de fotodetector son los tubos fotomultiplicadores.

- Emisión de electrones al fotocátodo.
- Aceleración a través de campos eléctricos.
- Emisión secundaria (diodos).
- Colección de carga en el ánodo.

- Cascadas electromagnéticas: Electrones, positrones i fotones producen cascadas electromagnéticas en incidir sobre una capa de plomo. Las partículas cargadas que se generan pueden ser detectadas con centelladores y fotodetectores.

- Detectores Cerenkov: La velocidad de la luz en un material dieléctrico (no conductor) es más pequeña que en el vacío. Una partícula no puede viajar más rápido que la luz en el vacío, pero sí que puede ir más rápido que la luz en el medio. En este caso, se produce un efecto similar a la onda de choque producida por un avión supersónico cuando va más deprisa que el sonido. El resultado se llama “luz Cerenkov”. Los anillos que se forman son una pieza muy importante en la identificación de las partículas.

Habiendo adquirido una poca culturilla acerca de detectores, proseguiremos con nuestro tema central, que es los detectores en el CERN de Ginebra. Los detectores de partículas consisten de un gran número de subdetectores de diferentes tipos, teniendo cada uno una tarea bien definida en el procedimiento de detección. Los científicos pueden deducir lo sucedido durante una colisión de partículas combinando la información de los diferentes subdetectores.

Es por eso, que antes de ir a los grandes detectores, deberemos hacer una breve exposición de estos subdetectores. Entre ellos diferenciamos: detectores de trazas, calorímetros y detectores de muones.

- Los más próximos al punto de colisión son detectores de trazas que muestran las trayectorias y ángulos de difusión de las partículas cargadas.

- Los detectores externos a los de trazas son calorímetros que miden la energía de partículas cargadas y neutras.

- Los más lejanos al punto de colisión son detectores de muones que identifican muones.
Los calorímetros se dividen en calorímetros electromagnéticos y hadrónicos, siendo los electromagnéticos los más próximos al punto de colisión.

Detectores de trazas.

Los detectores de trazas pueden dividirse en dos tipos principales: los detectores semiconductores y las cámaras de hilos. Los detectores semiconductores consisten de silicio o algún otro tipo de material semiconductor, mientras las cámaras de hilos están construidas con cámaras llenas de gas interespaciadas con hilos.

En ambos casos, sólo las partículas cargadas pueden ser detectadas. Las partículas neutras ( por ejemplo, los fotones) atraviesan los detectores de trazas sin ser detectadas.

Los detectores de trazas se construyen de modo que apenas afectan a las partículas detectadas.

Estas continúan su trayectoria con, aproximadamente, la misma energía y dirección que tenían al entrar al detector.

- Detectores de trazas: cámaras de hilos.

Las cámaras de hilos se basan en la idea de que las partículas cargadas pueden ser registradas cuando atraviesan un gas. Las partículas colisionarán con los átomos del gas y liberarán los electrones de los átomos. Esto se llama ionización, porque los átomos se convierten en iones. Un potencial eléctrico hace que los electrones se muevan al ánodo y los iones al cátodo. Los electrones serán registrados como una corriente eléctrica.

Una cámara proporcional multi-hilo (MWPC), uno de los detectores de trazas usados en los experimentos modernos de partículas, tiene varios hilos anódicos sujetos entre dos planos catódicos. La distancia entre los hilos anódicos es de 2 mm. aproximadamente y la distancia entre los planos catódicos es de aproximadamente 2 cm. La trayectoria de las partículas a través de la cámara puede calcularse utilizando las posiciones de los ánodos. Varias cámaras son posicionadas a cierta distancia entre sí para registrar las trazas de las partículas cargadas.

La cámara de barrido es un desarrollo posterior de las MWPC. La cámara de barrido usa el hecho de que lleva cierto tiempo el que los electrones liberados viajen hasta el ánodo. Midiendo este tiempo con precisión, la posición de la partícula original puede determinarse con gran precisión. Esta técnica se ha utilizado, por ejemplo, en la Cámara de Proyección Temporal (TPC) del detector DELPHI.

- Detectores de trazas: semiconductores.

Otro tipo de detectores de trazas está basado en semiconductores. Cuando una partícula cargada golpea un semiconductor se crea un par electrón-hueco en el semiconductor. Aplicando un campo eléctrico en el semiconductor se separan el electrón y el hueco. Estos se recogen en los electrodos, dando una señal medible.

La mayor ventaja de los detectores semiconductores es su gran precisión; pueden registrar la posición de las partículas con una seguridad de 10 µm. Entre las desventajas está que son sensibles a la radiación y su producción es cara.

Los detectores semiconductores son los que están más próximos al punto de colisión, en el interior de las cámaras de hilos, ya que debido a su gran precisión para localizar las posiciones de las partículas, pueden utilizarse para estudiar partículas de corta vida.