¿Cómo funciona el detector de rayos cósmicos del Museo?
En la pregunta anterior hemos explicado como funciona un detector individual, un tubo Geiger. El paso de una partícula por un tubo da lugar a un pulso de corriente eléctrica que puede registrarse y mostrarse mediante una luz, un sonido, etc. Pero, ¿por qué dieciséis tubos? ¿por qué formando dos filas paralelas y superpuestas de ocho cada una?
Fig B2-1. FOTO del detector
Nosotros estamos interesados en los rayos cósmicos, pero si tuviéramos un solo tubo, buena parte de las señales serían accidentales, debidas, por ejemplo, al ruido de la electrónica o a la radiactividad ambiental de origen terrestre, que no nos interesa.
Para minimizar estas señales espurias, los tubos están montados en coincidencia, es decir, sólo si una pareja de tubos registra una señal en un intervalo muy corto de tiempo (1), queda registrada esa señal con su marca temporal y la atribuimos a una partícula que ha atravesado el detector —aunque nunca es posible afirmar con total certeza que un evento dado se debe a una partícula de los rayos cósmicos secundarios y no a cualquier otra cosa —.
Pero además, pedir que una pareja de tubos “salten en coincidencia” nos permite definir hasta cierto punto la dirección desde la que ha llegado la partícula: a lo largo de la recta que une los tubos. Como veremos más tarde, esto es muy importante para el uso que queremos hacer de los datos.
Fig.B2-2 La pareja de tubos que se activa “simultáneamente” (en un intervalo muy corto predefinido según las características del detector) define la dirección de entrada de la partícula responsable de la activación
Finalmente, hemos utilizado bandejas de tubos para aumentar el área efectiva del detector y conseguir un ritmo de detecciones propio de un museo. Según la hoja de especificaciones de nuestros Geiger[enlace a B5] cada uno tiene un área activa (el área del “blanco” que presentan a los rayos cósmicos) de unos 9 cm2. El flujo promedio de rayos cósmicos verticales en la superficie terrestre es del orden de 0,01 / (s·cm2). Esto significa que, en condiciones ideales de eficiencia, un solo tubo registraría una coincidencia más o menos cada diez segundos [9 cm2 x 0,01 / (s·cm2) ~ 0,1 /s]. Esto significa que en el museo no sería raro tener que esperar más de 10 s para ver una coincidencia, un tiempo demasiado largo. Poniendo ocho parejas —que podemos considerar independientes— la tasa máxima de coincidencias esperada sería:
8 × 9 cm2 x 0,01 / (s·cm2) ~ 0,7 /s
lo que en la práctica nos da del orden de una coincidencia cada 2 segundos, un valor mucho más apropiado para una exposición y que se ha visto confirmado por la experiencia de los ensayos previos.
En cuanto a la electrónica del detector, baste señalar que contiene los elementos necesarios para generar la alta tensión que alimenta los tubos, convertir sus pulsos eléctricos analógicos en señales digitales y combinar estas en un circuito lógico para definir sus coincidencias y terminar registrándolas en un ordenador (Raspberry Pi 3B) con una marca temporal y la indicación de la pareja de tubos implicada. Adicionalmente, hay dos salidas para convertir las coincidencias en señales luminosas y de audio que se emplean en su representación sensorial para el público de la exposición.
(1) Hay que tener en cuenta que las partículas que detectamos, en su mayoría muones, tienen energías típicas del orden de unos pocos GeV, lo que implica que van casi a la velocidad de la luz, cerca de 300 000 km/s. El tiempo que tardan en atravesar la distancia entre dos tubos adyacentes -1,6 cm- es despreciable en comparación con los tiempos de respuesta de los tubos geiger y la electrónica.