Detección de partículas cósmicas con una pecera

Una pecera de bazar barata, cinta de embalar negra, un pedazo de fieltro negro, una linterna, una bolsa de agua, hielo seco, una chapa del mismo tamaño que la pecera, pegamento y una caja de corcho. Esto es todo lo que se necesita para fabricar un detector casero de partículas cósmicas.

Las partículas cósmicas tienen un nombre muy rimbombante pero no son más que núcleos atómicos y otras partículas subatómicas como electrones o muones que proceden de las reacciones nucleares que se producen por todos los rincones del universo. La inmensa parte de ellas chocan con los átomos de la atmósfera y generan una nueva serie de partículas de menor energía que son las que nos llegan a la superficie. Gracias a ello puede existir la vida en la Tierra, porque no hemos de olvidar que estas partículas constituyen lo que denominamos "radioactividad" y si no fuera por la atmósfera y por el campo magnético de la tierra, nuestras células, y su preciado material genético, estarían bien chamuscados.

El experimento que aquí presento no es más que la fabricación casera de una cámara de niebla. Estas cámaras son unos dispositivos utilizados desde hace más de cien años para el estudio de la formación de nubes, primero, y, tras observarse la formación de estelas, para el estudio de radiaciones ionizantes. Su funcionamiento es sencillo y consiste en crear una atmósfera de vapor sobrecondensado (que en las condiciones en las que se encuentra debería haber condensado pero debido a la forma de preparación para llegar a esas condiciones aún no lo ha hecho). De esta forma, las moléculas gaseosas del vapor están a puntísimo de unirse y condensar pero no lo hacen porque tienen que vencer la tensión superficial que se crea al formarse una gota. En estas condiciones la aparición de una partícula cósmica con carga eléctrica es el pequeño empujón que las moléculas necesitan para condensar. La partícula cósmica va ionizando moléculas al atravesar la niebla y las moléculas cargadas creadas se atraen entre sí como imanes permitiendo agregados moleculares más grandes y la posterior condensación del grupo. Para el observador lo que se ve es la aparición repentina de una estela (traza) de gotitas condensadas que muestra el camino que la partícula ha seguido al atravesar el vapor.

El material necesario

Para preparar el vapor sobrecondensado se puede utilizar agua, alcohol, cloroformo... [1] En el vídeo hemos utilizado alcohol isopropílico porque la temperatura a la que se evapora es ideal y porque se ioniza muy bien, pero si se utiliza alcohol etílico de 96º (el que se vende en cualquier lado) el experimento sale igual de bien.
También se necesita un recinto estanco. Ahí es donde entra en juego la pecera. Se limpia muy bien y en su base se pega con loctite un pedazo de fieltro (cualquier pegamento basado en cianoacrilato vale, lo importante es que aguante el alcohol o el agua). Cuando se seca el pegamento, se empapa bien el fieltro con alcohol (en el experimento del vídeo bastaron con 20 ml), se tapa la pecera con una placa de metal fina (es importante que sea de metal, porque es necesario que se transmita muy bien el calor) y se cierra herméticamente con cinta aislante.
Facilita mucho la observación de las trazas crear el mayor contraste posible. Por ello el experimento se hace en una habitación a oscuras y con la iluminación lateral de una linterna. También se utiliza fieltro negro, se pinta de color negro la placa de metal y se forra con cinta negra el lateral de la pecera que actúa como fondo.

Una vez que está todo preparado tan sólo hace falta aplicar una diferencia de temperaturas muy grande a la cámara. Al lado de la pecera con el fieltro se suministra calor para que se evapore el alcohol y en el lado de la placa de metal se aplica frío para que condense. La diferencia de temperaturas tiene que ser muy grande, de entre 80 ºC y -80 ºC, para que en un punto intermedio se produzcan las condiciones adecuadas para obtener el alcohol supersaturado necesario para observar las partículas. Para conseguir esa temperatura tan fría se coloca la pecera con la tapa metálica boca abajo sobre hielo seco contenido en una caja de corcho blanco (poliestireno expandido, en cada país hispanohablante se le llama de una forma) que tambien puede estar forrada de negro para favorecer la observación.

Transferencia del hielo seco a la caja aislante (cuidado que quema)

El hielo seco (CO₂ en estado sólido) no es difícil de conseguir, lo venden los distribuidores de gases como Air Liquide y el único inconveniente es que la cantidad mínima que te venden son 10 kg por unos 30€, por lo que si alguien que trabaje habitualmente con él te puede conseguir una pequeña cantidad mucho mejor (no se necesitan más de 200 g).

Para conseguir que la parte superior de la cámara se mantuviera a una temperatura de 80 ºC utilizamos un aparato que ha sido compañero de cama de todos los españoles durante décadas:

Dispositivo calentador

Cámara lista para funcionar (Perdón por el dedazo en la foto)

Una vez que está todo listo ya solo queda esperar a que se acondicione la cámara. Pasados unos cinco minutos aparece una neblina ondulante en la base de la cámara. Poco a poco esa neblina va aumentando su volumen y se empiezan a ver las primeras trazas sobre ella. También comienza a verse una lluvia de gotitas del alcohol que condensa y precipita. Es entonces cuando se han alcanzado las condiciones óptimas para la observación de las partículas cósmicas. ¡Que comience el espectáculo!

[1] The Principles of Cloud-Chamber Technique, J. G. Wilson, Cambridge University Press, Cambridge, 1951.