Op elk moment, de atmosfeer van de aarde wordt overspoeld met hoogenergetische kosmische stralen die zijn gestraald door supernova's en andere astrofysische verschijnselen tot ver buiten het zonnestelsel. Wanneer kosmische stralen botsen met de atmosfeer van de aarde, ze vervallen tot muonen - geladen deeltjes die iets zwaarder zijn dan een elektron.

Muonen duren slechts fracties van een seconde, en tijdens hun vluchtige levensduur zijn ze te vinden door elke laag van de atmosfeer van de aarde, circuleren in de lucht om ons heen en regenen op het oppervlak met een snelheid die vergelijkbaar is met een lichte motregen. Een klein deel van de muonen kan zelfs het aardoppervlak binnendringen en enkele kilometers door rotsen en ijs reizen.

Nu hebben natuurkundigen van het MIT een kosmische muondetector op zakformaat ontworpen om deze spookachtige deeltjes te volgen. De detector kan worden gemaakt met gemeenschappelijke elektrische onderdelen, en wanneer ingeschakeld, het licht op en telt elke keer dat een muon passeert. Het relatief eenvoudige apparaat kost slechts $ 100 om te bouwen, waardoor het de meest betaalbare muondetector is die vandaag beschikbaar is.

De onderzoekers, onder leiding van Spencer Axani, een afgestudeerde student aan het MIT's Department of Physics, hebben de detector ontworpen met studenten in gedachten. Ze zijn een outreach-programma begonnen genaamd CosmicWatch, met een website met een lijst van te kopen onderdelen en gedetailleerde instructies voor het monteren, ijken, en voer de detector uit. Het team schat dat een gemiddelde middelbare scholier ongeveer vier uur zou moeten besteden aan het bouwen van een detector voor de eerste keer, en slechts een uur om het een tweede keer te bouwen.

Eenmaal aan de gang, detectoren kunnen worden gedragen om muonsnelheden in vrijwel elke omgeving te meten. Het team heeft geholpen met het leveren van bijna 100 detectoren aan middelbare scholieren en studenten, die de instrumenten in vliegtuigen en weerballonnen hebben gestuurd om de muonsnelheden op grote hoogte te meten. Studenten hebben ook zoals Axani heeft gedaan, de detectoren ondergronds genomen.

"Je krijgt rare blikken als je deeltjesdetectoren meeneemt in de metro, maar dat deden we in Boston, "zegt Axani. "Omdat de muon-snelheid zal afnemen naarmate je verder naar beneden gaat, we hebben de detectoren in een metrostation geplaatst om te meten hoe ver we onder de grond waren."

De onderzoekers hebben de eerste versie van het detectorontwerp gepubliceerd in de American Journal of Physics . Axani's co-auteurs zijn MIT-hoogleraar natuurkunde Janet Conrad en junior Conor Kirby. Details met betrekking tot hun nieuwste versie zijn te vinden op de CosmicWatch-webpagina.

Schat in de prullenbak

Axani was oorspronkelijk van plan een kleine, draagbare muondetector als miniatuur-add-on voor IceCube, een enorme deeltjesdetector ingekapseld in ijs, diep onder de grond op de Zuidpool. IceCube is ontworpen om subatomaire deeltjes, neutrino's genaamd, te detecteren.

Wetenschappers van het observatorium stelden voor dat een kleine muondetector zou kunnen worden ingevoegd in PINGU (Precision IceCube Next Generation Upgrade), een voorgestelde array die de gevoeligheid van de detector voor neutrino's met lage energie zou vergroten. Kleine muondetectoren, begraven in zo'n reeks, de precieze positie van muonen zou kunnen markeren, waardoor wetenschappers die deeltjes kunnen filteren op hun zoektocht naar neutrino's.

Axani nam de taak op zich om een ​​prototype muondetector te ontwerpen voor gebruik in PINGU. Typische muondetectoren bestaan ​​uit fotovermenigvuldigende buizen bekleed met een scintillator, een materiaal dat licht uitstraalt wanneer het wordt geraakt door een geladen deeltje. Wanneer een deeltje zoals een muon door de detector stuitert, de fotovermenigvuldigingsbuis vermenigvuldigt de stroom die door het uitgezonden licht wordt geproduceerd. Op deze manier, zelfs een enkel foton kan een stroom maken die groot genoeg is om te meten. Dit wordt gebruikt om te bepalen of een muon of ander deeltje door de detector is gegaan.

Hoewel de meeste muondetectoren op laboratoriumschaal zijn gemaakt van grote, omvangrijke fotomultiplicatoren en zelfs grotere batterijen om ze van stroom te voorzien, Axani zocht naar manieren om het ontwerp te verkleinen.

Na het doorzoeken van afgedankte elektronische apparatuur bij MIT, hij vond de componenten die hij nodig had om een ​​veel dunner apparaat te bouwen, weinig stroom nodig.

Hij ontwierp ook eenvoudige elektronica en softwarecomponenten om het aantal muonen dat door de detector gaat, weer te geven. waardoor de detector een op zichzelf staand meet- en uitleesinstrument wordt.

Een project neemt een vlucht

Sinds Axani voor het eerst probeerde een prototype te ontwerpen, zijn project is meer een outreach-inspanning geworden, toen hij zich realiseerde dat de componenten die worden gebruikt om de detector te bouwen relatief vaak voorkomen, gemakkelijk bereikbaar, en eenvoudig in elkaar te zetten - allemaal ideale eigenschappen om studenten praktische deeltjesfysica te leren.

Hij, Conrad, en een collega van het Nationaal Centrum voor Nucleair Onderzoek in Polen, K. Frankiewicz, kits voor studenten hebben samengesteld, die kunnen worden gebruikt om individuele handdetectoren te bouwen ter grootte van een grote mobiele telefoon. Elke kit bevat een stuk plastic scintillator, een SensL silicium fotomultiplier, een Arduino Nano, een uitleesscherm, een op maat ontworpen printplaat, en een 3D-geprinte behuizing, verkrijgbaar in een regenboog van kleuren.

Het team heeft kits geleverd aan studenten van de Universiteit van Warschau in Polen, evenals de Missouri University of Science and Technology, waar studenten een reeks van de detectoren hebben gebouwd en ze in weerballonnen hebben gestuurd om muonen op grote hoogte te meten. Studenten hebben de detectoren ook in vliegtuigen genomen om de verschillende muontellingen op verschillende hoogten te meten.

"Op zeeniveau, je zou op zeeniveau elke twee seconden een telling kunnen zien, maar in een vliegtuig op kruishoogte, dat percentage stijgt met ongeveer een factor 50 - een dramatische verandering, "zegt Axani. "Van de gemeten snelheid kun je terugrekenen wat de werkelijke hoogte van het vliegtuig was."

Een groep aan de Boston University onderzoekt ook de mogelijkheden om de muondetectoren in suborbitale raketten te plaatsen, hoogten van 100 bereiken, 000 voet.

"Als je hoog genoeg opstaat, je komt uit het muonproductiegebied van kosmische straling, en je kunt de omzet gaan zien, waar de snelheden van muonen toenemen op een bepaalde hoogte en dan beginnen af ​​te nemen boven een bepaalde hoogte, ' zegt Conrad.

Eventueel, de onderzoekers willen hun pocketdetector inzetten als middel voor muontomografie, een techniek die de verdeling van muonen gebruikt om een ​​driedimensionaal beeld te creëren van de hoeveelheid materiaal rond een detector. Wetenschappers hebben in het verleden muon-tomografie-instrumenten gebruikt, net als röntgenfoto's of CT-scans, om geologische structuren bloot te leggen, de meest bekende daarvan was een poging in de jaren zestig om te zoeken naar verborgen kamers in de Piramide van Chephren, in Gizeh.

"Dat is iets wat ik een keer zou willen proberen, misschien om het kantoor op de verdieping boven mij in kaart te brengen, "zegt Axani. "Voorlopig neem ik deze detectoren graag mee in mijn koffer en meet ik de muonsnelheid als ik op reis ben."

De onderzoekers zullen kits blijven aanbieden op de CosmicWatch-website, samen met instructies voor het monteren en toepassen ervan. Ze hopen ook feedback te krijgen van studenten en docenten die de kits hebben gebruikt.

"Dit is een heel mooi voorbeeld van hoe mooie esoterische fysica iets kan produceren dat direct bruikbaar is, ' zegt Conrad.