Otras técnicas de detección

Detectores de muones

La componente de muones de una cascada en la atmósfera se mide con un detector de muones. Es importante tener en cuenta que sólo los nucleones de rayos cósmicos primarios con más de >4 GeV tienen suficiente energía para generar muones capaces de penetrar en la atmósfera. La detección de los muones se lleva a cabo, por ejemplo, mediante el uso de tubos contadores de Geiger-Müller counters o también utilizando contadores basados en centelladores. Los tubos contadores de Geiger-Müller utilizan una fuente de alta tensión para crear un fuerte campo eléctrico en el ánodo del detector. Cuando una partícula de un rayo cósmico penetra en el detector, arranca algunos electrones en el gas contenido en él y en las paredes del tubo. Estos electrones se aceleran hacia el electrodo positivo, ganando así energía suficiente para arrancar otros electrones de las moléculas de gas a su paso. A su vez estos electrones son también acelerados provocando nuevos electrones libres. Esta avalancha compuesta por miles de millones de cargas negativas alcanzan el electrodo positivo provocando un flujo de intensidad eléctrica que puede ser medido con un dispositivo electrónico adecuado.

Ya que un contador Geiger es sensible a las partículas independientemente de su procedencia, no es posible determinar la familia a la que pertenece la partícula, ni tampoco la dirección de la que procede. Para solucionar este problema se utilizan dos o más detectores y una técnica denominada coincidencia, que es la medida simultanea del mismo evento en tubos diferentes. Así es posible llevar a cabo experimentos más sofisticados, como por ejemplo discriminar muones y determinar la dirección en la que estos inciden. También es posible descartar así la radiación terrestre.

Experimentos con muones bajo tierra

La componente de alta energía de los muones se estudia utilizando detectores situados bajo tierra. Estos detectores se basan en la alta penetración que tienen los muones en la materia, que permite diferenciarlos de otros componentes de los rayos cósmicos (a excepción de los neutrinos). Los detectores de muones subterráneos pueden ser un único detector o una pequeña combinación de varios detectores. (Hay que tener en cuenta que los neutrinos procedentes de la atmósfera, del sol y del cosmos se pueden estudiar también con detectores subterráneos. No obstante, el tamaño de estos detectores debe ser muy grande para compensar la baja sección transversal de los neutrinos)

Matrices de detectores para detección de cascadas

Las cascadas de partículas en la atmósfera se detectan de utilizando varios tipos de detectores. Los más habituales son contadores basados en centelladores, que permiten medir los instantes de llegada con una gran precisión. Los más habituales son los contadores Cherenkov de agua, cámaras de desplazamiento, tubos de corrientes, y contadores Geiger. Utilizando dispositivos sensibles a la orientación es posible averiguar también la dirección de las partículas incidentes.

Para detectar coincidencias en las lluvias de partículas, se utilizan varios detectores de partículas, dispuestos como una matriz de decenas o centenas de ellos, separados entre 10 y 30 metros entre si. En el caso de grandes cascadas, que involucran miles de millones de partículas, los detectores deben situarse en una red con una malla de aproximadamente un kilómetro. De ahí que el tamaño de las matrices de detectores de cascadas de partículas varíen entre la centena de metros y la decena de kilómetros. Estas matrices permiten estudiar rayos cósmicos con energías comprendidas en el rango de entre 1012-1021 eV.

Detectores Cherenkov

Los electrones y positrones relativistas (electrones que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz), que se producen en las cascadas de partículas en la atmósfera, generan emisiones Cherenkov en el espectro de radiación visible cuando se propagan a velocidades superiores a la de la luz para ese medio. Las matrices Cherenkov recoge estos pulsos de luz en un gran volumen (miles de kilómetros cúbicos). Se utiliza una técnica similar para el estudio de los neutrinos, en cuyo caso los pulsos de luz se producen bajo el agua, como por ejemplo en el (DUMAND)) (Deep Underwater Muon and Neutrino Detector, detector de muones y neutrinos de alta profundidad subacuática), o bien dentro del hielo, como en el IceCube Neutrino Observatory or Antarctic Muon And Neutrino Detector Array (AMANDA) detector matricial de muones y neutrinos de la Antártida).

Detectores en globos aerostáticos

Los globos aerostáticos modernos permiten llevar detectores a alturas de entre 40 y 70 km. En un principio se embarcaban detectores pequeños y sencillos. Sin embargo, hoy en día se utilizan dispositivos mucho más grandes y complejos, como por ejemplo el BESS (Balloon Borne Experiment with Superconducting Solenoidal Spectrometer, espectrómetro solenoidal superconductor diseñado para operar en globos), en globos. A estas altitudes, la parte de la atmósfera que queda por encima no es apropiada para el estudio de los rayos cósmicos secundarios, y por lo tanto este tipo de detectores estudian directamente los primarios. En este sentido estos instrumentos son como satélites de órbita baja, sólo que muchos más baratos y más fáciles de manejar.

El umbral de corte de la rigidez geomagnética sigue siendo un problema importante para las observaciones de los globos. Además, las partículas del albedo atmosférico (aquellas partículas reflejadas hacia el espacio por la atmósfera o generadas en ella) son también medidas y, por lo tanto, hay que tenerlas en cuenta. En cualquier caso, el principal inconveniente de los experimentos embarcados en globos es que sólo operan durante un intervalo de tiempo breve.

Bibliografía adicional

M.L. Duldig, Muon observations, Space Science Review, vol. 93, pp. 207-226, 2000


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