Una placa de emulsión nuclear es un tipo de detector de partículas que se utilizó por primera vez en experimentos de física nuclear y de partículas en las primeras décadas del siglo XX. [1] [2] [3] Es una forma modificada de placa fotográfica que se puede utilizar para registrar e investigar partículas de carga rápida como partículas alfa , nucleones , leptones o mesones . Después de exponer y revelar la emulsión, se pueden observar y medir rastros de partículas individuales utilizando un microscopio.
La placa de emulsión nuclear es una forma modificada de placa fotográfica , recubierta con una emulsión fotográfica más espesa de gelatina que contiene una mayor concentración de granos muy finos de haluro de plata ; la composición exacta de la emulsión está optimizada para la detección de partículas.
Tiene la ventaja principal de una precisión y resolución espacial extremadamente altas, limitadas únicamente por el tamaño de los granos de haluro de plata ( submicrón ); precisión y resolución que superan incluso a los mejores detectores de partículas modernos (observe la escala en la imagen a continuación, de la desintegración del mesón K).
Una pila de placas de emulsión, que forman efectivamente un bloque de emulsión, puede registrar y preservar las interacciones de las partículas de modo que sus trayectorias se registren en el espacio tridimensional como un rastro de granos de haluro de plata, que se puede ver desde cualquier aspecto a escala microscópica. [3] Además, la placa de emulsión es un dispositivo integrador que se puede exponer o irradiar hasta que se haya acumulado la cantidad deseada de datos. Es compacta, sin cables de lectura ni electrónica asociados, lo que permite que las placas se instalen en espacios muy reducidos y, en comparación con otras tecnologías de detectores, es significativamente menos costosa de fabricar, operar y mantener. Estas características fueron decisivas para permitir los estudios de rayos cósmicos a gran altitud, en montañas y en globos que llevaron al descubrimiento del mesón pi [4] [5] y las desintegraciones cargadas de mesones K que violan la paridad ; [6] arrojando luz sobre la verdadera naturaleza y extensión del " zoológico de partículas " subnuclear, definiendo un hito en el desarrollo de la física de partículas experimental moderna . [1]
La principal desventaja de la emulsión nuclear es que se trata de un material denso y complejo ( plata , bromo , carbono , nitrógeno , oxígeno ) que potencialmente impide el vuelo de partículas a otros componentes del detector a través de la dispersión múltiple y la pérdida de energía ionizante . Finalmente, el desarrollo y escaneo de grandes volúmenes de emulsión, para obtener datos digitalizados tridimensionales útiles, ha sido en el pasado un proceso lento y laborioso. Sin embargo, los recientes avances en la automatización del proceso pueden superar ese inconveniente. [7]
Estas desventajas, junto con la aparición de nuevas tecnologías de detectores y aceleradores de partículas , llevaron a una disminución en el uso de placas de emulsión nuclear en física de partículas hacia fines del siglo XX. [1] Sin embargo, el método sigue utilizándose en el estudio de procesos raros y en otras ramas de la ciencia, como la autorradiografía en medicina y biología.
Para una descripción completa y técnicamente detallada del tema, consulte los libros de Barkas [3] y de Powell, Fowler y Perkins. [2] Para una revisión extensa de la historia y el contexto científico más amplio del método de emulsión nuclear, consulte el libro de Galison. [8]
Tras el descubrimiento de la radiactividad en 1896 por Henri Becquerel [9] utilizando emulsión fotográfica , Ernest Rutherford , trabajando primero en la Universidad McGill en Canadá, luego en la Universidad de Manchester en Inglaterra, fue uno de los primeros físicos en utilizar ese método para estudiar en detalle la radiación emitida por materiales radiactivos . [10] En 1905 estaba utilizando placas fotográficas disponibles comercialmente para continuar su investigación sobre las propiedades de los rayos alfa recientemente descubiertos producidos en la desintegración radiactiva de algunos núcleos atómicos . [10] Esto implicó analizar el oscurecimiento de las placas fotográficas causado por la irradiación con los rayos alfa . Este oscurecimiento fue posible gracias a la interacción de las muchas partículas alfa cargadas , que componen los rayos, con granos de haluro de plata en la emulsión fotográfica que se hicieron visibles mediante el revelado fotográfico . Rutherford alentó a su colega de investigación en Manchester, Kinoshita Suekiti, [11] a investigar con más detalle la acción fotográfica de las partículas alfa .
Kinoshita incluyó entre sus objetivos “ver si una sola partícula γ producía un evento fotográfico detectable”. Su método consistía en exponer la emulsión a la radiación de una fuente radiactiva bien medida, para la que se conocía la tasa de emisión de partículas γ. Utilizó ese conocimiento y la proximidad relativa de la placa a la fuente para calcular el número de partículas γ que se esperaba que atravesaran la placa. Comparó ese número con el número de granos de haluro desarrollados que contó en la emulsión, teniendo muy en cuenta la “ radiación de fondo ” que producía granos “no alfa” adicionales en la exposición. Completó este proyecto de investigación en 1909, [12] demostrando que era posible “preparando una película de emulsión de granos de haluro de plata muy finos y utilizando un microscopio de gran aumento, que el método fotográfico se pudiera aplicar para contar partículas γ con considerable precisión”. [13] Esta fue la primera vez que se había logrado la observación de partículas cargadas individuales mediante una emulsión fotográfica. [1] Sin embargo, se trataba de la detección de impactos de partículas individuales, no de la observación de la trayectoria extendida de una partícula. Poco después, en 1911, Max Reinganum [14] demostró que el paso de una partícula γ con incidencia indirecta a través de una emulsión fotográfica producía, cuando se revelaba la emulsión, una fila de granos de haluro de plata que delineaban la trayectoria de la partícula γ; la primera observación registrada de una trayectoria extendida de una partícula en una emulsión. [15] [1]
Los siguientes pasos habrían sido naturalmente aplicar esta técnica a la detección e investigación de otros tipos de partículas, incluidos los rayos cósmicos recién descubiertos por Victor Hess en 1912. Sin embargo, el progreso se detuvo con el inicio de la Primera Guerra Mundial en 1914. La cuestión pendiente de mejorar el rendimiento de detección de partículas de las emulsiones fotográficas estándar, con el fin de detectar otros tipos de partículas (los protones, por ejemplo, producen aproximadamente una cuarta parte de la ionización causada por una partícula α [16] ), fue retomada por varios laboratorios de investigación física en la década de 1920. [1]
En particular, Marietta Blau , que trabajaba en el Instituto de Investigación del Radio de Viena, Austria , comenzó en 1923 a investigar tipos alternativos de placas de emulsión fotográfica para la detección de protones, conocidos en ese momento como “rayos H”.
Utilizó una fuente radiactiva de partículas γ para irradiar cera de parafina , que tiene un alto contenido de hidrógeno. Una partícula γ puede colisionar con un núcleo de hidrógeno (protón), sacando ese protón de la cera y llevándolo a la emulsión fotográfica, donde produce una pista visible de granos de haluro de plata. Después de muchos ensayos, utilizando diferentes placas y protegiendo cuidadosamente la emulsión de la radiación no deseada, logró hacer la primera observación de pistas de protones en una emulsión nuclear. [17]
Mediante un ingenioso ejemplo de pensamiento lateral, aplicó un método similar para hacer la primera observación del impacto de los neutrones en una emulsión nuclear. Al ser eléctricamente neutro, el neutrón no puede, por supuesto, detectarse directamente en una emulsión fotográfica, pero si choca con un protón en la emulsión, se puede detectar ese protón que retrocede. [18] Utilizó este método para determinar el espectro de energía de los neutrones resultantes de procesos de reacción nuclear específicos. Desarrolló un método para determinar las energías de los protones midiendo la densidad de grano expuesta a lo largo de sus trayectorias (las partículas ionizantes mínimas rápidas interactúan con menos granos que las partículas lentas). Para registrar las largas trayectorias de los protones rápidos con mayor precisión, contrató al fabricante de películas británico Ilford (ahora Ilford Photo ) para espesar la emulsión en sus placas comerciales, y experimentó con otros parámetros de la emulsión (tamaño de grano, retención de imagen latente, condiciones de revelado) para mejorar la visibilidad de las partículas alfa y las trayectorias de protones rápidos. [19]
En 1937, Marietta Blau y su ex alumna Hertha Wambacher descubrieron estrellas de desintegración nuclear (Zertrümmerungsterne) debido a la espalación en emulsiones nucleares que habían sido expuestas a la radiación cósmica a una altura de 2300 m en el Hafelekarspitze sobre Innsbruck . [20] Este descubrimiento causó sensación en el mundo de la física nuclear y de rayos cósmicos, lo que llevó el método de la emulsión nuclear a la atención de un público más amplio. Pero el inicio de la inestabilidad política en Austria y Alemania, que condujo a la Segunda Guerra Mundial , provocó un frenazo repentino en el progreso en ese campo de investigación para Marietta Blau . [21] [22]
En 1938, el físico alemán Walter Heitler , que había escapado de Alemania como refugiado científico para vivir y trabajar en Inglaterra, se encontraba en la Universidad de Bristol investigando una serie de temas teóricos, incluida la formación de lluvias de rayos cósmicos . Mencionó a Cecil Powell , que en ese momento estaba considerando el uso de cámaras de nubes para la detección de rayos cósmicos, [23] [8] que en 1937 los dos físicos vieneses, Blau y Wambacher, habían expuesto emulsiones fotográficas en los Alpes austríacos y habían visto las huellas de protones de baja energía, así como 'estrellas' o desintegraciones nucleares causadas por rayos cósmicos.
Esto intrigó a Powell, quien convenció a Heitler para que viajara a Suiza con un lote de emulsiones de semitonos de Illford [24] y las expusiera en el Jungfraujoch a 3.500 m. En una carta a 'Nature' en agosto de 1939, pudieron confirmar las observaciones de Blau y Wambacher. [25] [26] [27]
Aunque la guerra detuvo decisivamente la investigación de los rayos cósmicos en Europa entre 1939 y 1945, en la India Debendra Mohan Bose y Bibha Chowdhuri , que trabajaban en el Instituto Bose de Calcuta , llevaron a cabo una serie de experimentos en la cima de montañas a gran altitud utilizando emulsión fotográfica para detectar y analizar los rayos cósmicos. Estas mediciones fueron notables por la primera detección de muones por el método fotográfico: el minucioso análisis de Chowdhuri de las propiedades de las trazas observadas, incluidas las densidades de grano de haluro expuestas con correlaciones de rango y dispersión múltiple, reveló que las partículas detectadas tenían una masa aproximadamente 200 veces mayor que la del electrón, el mismo "mesotrón" (más tarde "mu-mesón", ahora muón ) descubierto en 1936 por Anderson y Neddermeyer utilizando una cámara de nubes . La distancia y las circunstancias negaron a Bose y Chowdhuri el acceso relativamente fácil a los fabricantes de placas fotográficas disponibles para Blau y, más tarde, para Heitler, Powell et al. Esto significó que Bose y Chowdhuri tuvieron que utilizar emulsiones de medios tonos comerciales estándar, en lugar de emulsiones nucleares diseñadas específicamente para la detección de partículas, lo que hace aún más notable la calidad de su trabajo. [28] [29] [30] [31] [32]
A raíz de estos avances, después de la Segunda Guerra Mundial , Powell y su grupo de investigación de la Universidad de Bristol colaboraron con Ilford (ahora Ilford Photo ) para optimizar aún más las emulsiones para la detección de partículas de rayos cósmicos. Ilford produjo una emulsión concentrada de "investigación nuclear" que contenía ocho veces la cantidad normal de bromuro de plata por unidad de volumen (véase el enlace externo a "Emulsiones nucleares de Ilford"). El grupo de Powell calibró primero las nuevas emulsiones de "investigación nuclear" utilizando el generador/acelerador Cockcroft-Walton de la Universidad de Cambridge , que proporcionó partículas de desintegración artificiales como sondas para medir las relaciones de rango-energía requeridas para las partículas cargadas en la nueva emulsión. [33]
Posteriormente utilizaron estas emulsiones para realizar dos de los descubrimientos más significativos en física del siglo XX. Primero, en 1947 Cecil Powell , César Lattes , Giuseppe Occhialini y Hugh Muirhead ( Universidad de Bristol ), utilizando placas expuestas a rayos cósmicos en el Observatorio Pic du Midi en los Pirineos y escaneadas por Irene Roberts y Marietta Kurz , descubrieron el mesón Pi cargado . [4]
En segundo lugar, dos años después, en 1949, al analizar las placas expuestas en el Observatorio Sphinx en Jungfraujoch , en Suiza, Rosemary Brown (ahora Rosemary Fowler [34] ), una estudiante de investigación del grupo de Cecil Powell en Bristol, realizó las primeras observaciones precisas del mesón K positivo y sus desintegraciones "extrañas". [6] Entonces conocido como el "mesón Tau" en el rompecabezas Tau-theta , la medición precisa de estos modos de desintegración del mesón K condujo a la introducción del concepto cuántico de extrañeza y al descubrimiento de la violación de paridad en la interacción débil . Rosemary Brown llamó a la sorprendente imagen de emulsión de cuatro pistas, [1] de un "Tau" desintegrándose en tres piones cargados, su "pista K", nombrando así efectivamente al recién descubierto "extraño" mesón K. Cecil Powell fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1950 "por su desarrollo del método fotográfico para estudiar los procesos nucleares y sus descubrimientos sobre los mesones realizados con este método".
La aparición de nuevas tecnologías de detectores y aceleradores de partículas , junto con las desventajas señaladas en la introducción, llevaron a una disminución en el uso de placas de emulsión nuclear en física de partículas hacia fines del siglo XX. [1] Sin embargo, se siguió utilizando el método en el estudio de interacciones raras y procesos de desintegración. [35] [36] [37] [38] [39]
Más recientemente, las búsquedas de " Física más allá del Modelo Estándar ", en particular el estudio de los neutrinos y la materia oscura en sus interacciones extremadamente raras con la materia normal, han llevado a un renacimiento de la técnica, incluida la automatización del procesamiento de imágenes de emulsión. [7] Algunos ejemplos son el experimento OPERA , [40] que estudia las oscilaciones de neutrinos en el Laboratorio Gran Sasso en Italia, y el experimento FASER en el LHC del CERN , que buscará nuevas partículas ligeras y de interacción débil, incluidos los fotones oscuros . [41]
Existen numerosos campos científicos y técnicos en los que se ha aplicado la capacidad de la emulsión nuclear para registrar con precisión la posición, la dirección y la energía de partículas cargadas eléctricamente o para integrar su efecto. Estas aplicaciones, en la mayoría de los casos, implican el rastreo de marcadores radiactivos implantados mediante autorradiografía . Algunos ejemplos son:
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