Fysikere designer $ 100 håndholdt muon detektor

På et givet tidspunkt, Jordens atmosfære er oversvømmet med højenergiske kosmiske stråler, der er sprængt fra supernovaer og andre astrofysiske fænomener langt ud over solsystemet. Når kosmiske stråler kolliderer med Jordens atmosfære, de henfalder til myoner - ladede partikler, der er lidt tungere end en elektron.

Muoner varer kun brøkdele af et sekund, og i løbet af deres flygtige levetid kan de findes gennem hvert lag af Jordens atmosfære, cirkulerer i luften omkring os og regner på overfladen med en hastighed, der ligner en let støvregn. En lille brøkdel af muoner kan endda trænge ind i jordens overflade og rejse flere kilometer gennem sten og is.

Nu har fysikere på MIT designet en kosmisk stråle-muondetektor i lommeformat til at spore disse spøgelsesagtige partikler. Detektoren kan laves med almindelige elektriske dele, og når den er tændt, den lyser og tæller hver gang en muon passerer igennem. Den relativt enkle enhed koster kun $ 100 at bygge, hvilket gør den til den mest overkommelige muondetektor, der er tilgængelig i dag.

Forskerne, ledet af Spencer Axani, en kandidatstuderende i MIT's Institut for Fysik, har designet detektoren med eleverne i tankerne. De har startet et opsøgende program kaldet CosmicWatch, med et websted, der viser dele til køb og detaljerede instruktioner om, hvordan man samler, kalibrere, og kør detektoren. Teamet vurderer, at en gennemsnitlig gymnasieelev bør bruge omkring fire timer på at bygge en detektor for første gang, og bare en time at bygge det en anden gang.

Når den er i gang, detektorer kan bæres rundt for at måle muonhastigheder i stort set ethvert miljø. Teamet har hjulpet med at levere næsten 100 detektorer til gymnasie- og universitetsstuderende, der har sendt instrumenterne op i fly og vejrballoner for at måle muonhastigheder i store højder. Eleverne har også, som Axani har gjort, taget detektorerne under jorden.

"Man får et sjovt udseende, når man tager partikeldetektorer ind i metroen, men vi gjorde det i Boston, "Siger Axani." Da muonhastigheden falder, jo længere ned du kommer, vi satte detektorerne i en metrostation for at måle, hvor langt under jorden vi var. "

Forskerne har offentliggjort den første version af detektordesignet i American Journal of Physics . Axanis medforfattere er MIT-professor i fysik Janet Conrad og junior Conor Kirby. Oplysninger om deres seneste version findes på CosmicWatch -websiden.

Skat i skraldespanden

Axani havde oprindeligt til hensigt at bygge en lille, håndholdt muon detektor som en miniature-tilføjelse til IceCube, en enorm partikeldetektor indkapslet i is, dybt under jorden på Sydpolen. IceCube er designet til at detektere subatomære partikler kaldet neutrinoer.

Forskere ved observatoriet foreslog, at der kunne indsættes en lille muondetektor i PINGU (Precision IceCube Next Generation Upgrade), et foreslået array, der ville øge detektorens følsomhed over for lavenergi neutrinoer. Små muon -detektorer, begravet i sådan en række, ville kunne mærke den præcise position af muoner, gør det muligt for forskere at sile disse partikler ud i deres søgen efter neutrinoer.

Axani påtog sig opgaven med at designe en prototype muondetektor til brug i PINGU. Typiske muondetektorer består af fotomultiplicerende rør beklædt med en scintillator, et materiale, der udsender lys, når det rammes af en ladet partikel. Når en partikel som en muon hopper gennem detektoren, fotomultiplikationsrøret multiplicerer strømmen produceret af det udsendte lys. På denne måde, selv en enkelt foton kan gøre en strøm stor nok til, at den kan måles. Dette bruges til at bestemme, om en muon eller anden partikel er passeret gennem detektoren.

Mens de fleste muon-detektorer i lab-skala er fremstillet af store, omfangsrige fotomultiplikatorer og endnu større batterier til at drive dem, Axani ledte efter måder at skrumpe designet.

Efter at have gravet gennem kasseret elektronikudstyr på MIT, han fandt de komponenter, han havde brug for til at bygge en meget tyndere enhed, kræver meget lidt strøm.

Han designede også enkel elektronik og softwarekomponenter til at vise antallet af muoner, der passerer gennem detektoren, gør detektoren til et selvstændigt måle- og aflæsningsinstrument.

Et projekt flyver

Siden Axani første gang forsøgte at designe en prototype, hans projekt har forvandlet sig til mere en opsøgende indsats, da han indså, at komponenterne, der bruges til at bygge detektoren, er relativt almindelige, let tilgængeligt, og enkel at samle-alle ideelle kvaliteter til at undervise eleverne i praktisk partikelfysik.

Han, Conrad, og en kollega på National Center for Nuclear Research i Polen, K. Frankiewicz, har samlet kits til studerende, som kan bruges til at bygge individuelle håndholdte detektorer på størrelse med en stor mobiltelefon. Hvert sæt indeholder et stykke plastikscintillator, en SensL silicium fotomultiplikator, en Arduino Nano, en aflæsningsskærm, et specialdesignet printkort, og et 3D-trykt hus, fås i en regnbue af farver.

Teamet har leveret kits til studerende ved universitetet i Warszawa i Polen, samt Missouri University of Science and Technology, hvor eleverne har bygget en række af detektorer og sendt dem op i vejrballoner for at måle muoner i store højder. Studerende har også taget detektorerne med på fly for at måle de forskellige muontællinger i forskellige højder.

"Ved havets overflade, du kan se en tælle hvert andet sekund ved havets overflade, men på et fly i krydshøjde, denne sats stiger med cirka en faktor 50 - en dramatisk ændring, "Siger Axani." Fra den målte hastighed kan du beregne tilbage, hvad den faktiske højde på flyet var. "

En gruppe ved Boston University undersøger også mulighederne for at placere muondetektorerne i suborbitalraketter, når 100 højder, 000 fod.

"Når du står højt nok op, du kommer ud af kosmiske stråles produktionsregion muon, og du kan begynde at se omsætningen, hvor frekvensen af ​​muoner stiger i en bestemt højde og derefter begynder at falde ud over en bestemt højde, "Siger Conrad.

Til sidst, forskerne vil gerne anvende deres lommedetektor som et middel til muontomografi, en teknik, der bruger fordelingen af ​​muoner til at skabe et tredimensionelt billede af mængden af ​​materiale, der omgiver en detektor. Forskere har tidligere brugt muon tomografi instrumenter, meget gerne røntgenstråler eller CT-scanninger, at afdække geologiske strukturer, den mest berømte af dem var en bestræbelse i 1960'erne på at søge efter skjulte kamre i Pyramid af Chephren, i Giza.

"Det er noget, jeg gerne vil prøve på et tidspunkt, måske for at kortlægge kontoret på gulvet over mig, "Axani siger." For nu kan jeg godt lide at tage disse detektorer i min dokumentmappe og måle muonhastigheden, når jeg er på rejse. "

Forskerne vil fortsat tilbyde kits på CosmicWatch -webstedet, sammen med instruktioner til, hvordan man samler og anvender dem. De håber også at indsamle feedback fra studerende og pædagoger, der har brugt kittene.

"Dette er et virkelig fint eksempel på, hvordan smuk esoterisk fysik kan producere noget, der er direkte nyttigt, "Siger Conrad.