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 cargadas rápidamente como partículas alfa , nucleones , leptones o mesones . Después de exponer y revelar la emulsión, se pueden observar y medir pistas de partículas individuales usando 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 de haluro de plata muy finos ; optimizándose la composición exacta de la emulsión para la detección de partículas.
Tiene la principal ventaja de una precisión y resolución espacial extremadamente altas, limitadas únicamente por el tamaño de los granos de haluro de plata ( submicrones ); 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 forma efectivamente un bloque de emulsión, puede registrar y preservar las interacciones de las partículas de modo que sus trayectorias se registren en un espacio tridimensional como un rastro de granos de haluro de plata, que se pueden ver desde cualquier aspecto en un escala microscópica. [3] Además, la placa de emulsión es un dispositivo integrador que puede exponerse o irradiarse hasta que se haya acumulado la cantidad deseada de datos. Es compacto, sin cables de lectura ni componentes electrónicos asociados, lo que permite instalar las placas en espacios muy reducidos y, en comparación con otras tecnologías de detectores, es significativamente menos costoso de fabricar, operar y mantener. Estas características fueron decisivas para permitir los estudios de rayos cósmicos a gran altitud, montañas y globos que llevaron al descubrimiento del mesón pi [4] [5] y la paridad que viola las desintegraciones cargadas del mesón K ; [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 es 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 dispersión múltiple y 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 la física de partículas hacia finales del siglo XX. [1] Sin embargo, sigue existiendo un uso continuo del método en el estudio de procesos raros y en otras ramas de la ciencia, como la autorradiografía en medicina y biología.
Para obtener 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 recientemente descubiertos rayos alfa producidos en la desintegración radiactiva de algunos núcleos atómicos . [10] Se trataba de analizar el oscurecimiento de las placas fotográficas provocado por la irradiación con rayos alfa . Este oscurecimiento fue posible gracias a la interacción de las numerosas partículas alfa cargadas que forman los rayos con los granos de haluro de plata de la emulsión fotográfica que se hicieron visibles mediante el revelado fotográfico . Rutherford animó a su colega de investigación en Manchester, Kinoshita Suekiti, [11] a investigar con más detalle la acción fotográfica de las partículas alfa .
Kinoshita incluía entre sus objetivos “ver si una sola partícula 𝛂 producía un evento fotográfico detectable”. Su método consistía en exponer la emulsión a la radiación de una fuente radiactiva bien medida, cuya tasa de emisión de partículas 𝛂 era conocida. Usó ese conocimiento y la proximidad relativa de la placa a la fuente para calcular el número de partículas 𝛂 que se esperaba que atravesaran la placa. Comparó ese número con el número de granos de haluro desarrollados que contó en la emulsión, teniendo en cuenta cuidadosamente la " radiación de fondo " que produjo 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 muy finos de haluro de plata y usando un microscopio de gran aumento, que el método fotográfico pueda aplicarse para contar partículas 𝛂”. con considerable precisión”. [13] Esta fue la primera vez que se logró 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 𝛂 con incidencia indirecta a través de una emulsión fotográfica producía, cuando se revelaba la emulsión, una hilera de granos de haluro de plata que delineaban la trayectoria de la partícula 𝛂. ; la primera observación registrada de una pista de partículas extendida en una emulsión. [15] [1]
Naturalmente, los siguientes pasos habrían sido 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 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 estudios físicos. laboratorios de investigación 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 aquella época como “rayos H”.
Usó una fuente radiactiva de partículas 𝛂 para irradiar cera de parafina , que tiene un alto contenido de hidrógeno. Una partícula 𝛂 puede chocar con un núcleo de hidrógeno (protón), expulsando ese protón de la cera y dentro de la emulsión fotográfica, donde produce una pista visible de granos de haluro de plata. Después de muchas pruebas, utilizando diferentes placas y protegiendo cuidadosamente la emulsión de la radiación no deseada, logró realizar la primera observación de huellas de protones en una emulsión nuclear. [17]
Mediante un ingenioso ejemplo de pensamiento lateral, aplicó un método similar para realizar 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 contra un protón en la emulsión, puede detectarse el protón que retrocede. [18] Utilizó este método para determinar el espectro de energía de los neutrones resultantes de procesos de reacción nucleares específicos. Desarrolló un método para determinar las energías de los protones midiendo la densidad de los granos expuestos a lo largo de sus trayectorias (las partículas ionizantes mínimas rápidas interactúan con menos granos que las partículas lentas). Para registrar con mayor precisión las largas trayectorias de protones rápidos, 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 pistas de partículas alfa y protones rápidos. [19]
En 1937, Marietta Blau y su antigua alumna Hertha Wambacher descubrieron estrellas de desintegración nuclear (Zertrümmerungsterne) debido a la espalación en emulsiones nucleares 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 atrajo la atención de un público más amplio sobre el método de la emulsión nuclear. Pero el inicio de los disturbios políticos en Austria y Alemania, que condujeron a la Segunda Guerra Mundial , detuvo repentinamente 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, estaba en la Universidad de Bristol investigando una serie de temas teóricos, incluida la formación de lluvias de rayos cósmicos . Le mencionó a Cecil Powell , que en aquel momento estaba considerando el uso de cámaras de niebla 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 Ilford [24] y las expusiera en el Jungfraujoch a 3.500 m. En una carta enviada 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 , trabajando en el Instituto Bose de Calcuta , emprendieron 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 mediante el método fotográfico: el minucioso análisis de Chowdhuri de las propiedades de las huellas observadas, incluidas las densidades de granos de haluros expuestos con rango y correlaciones de dispersión múltiple, que revelaron que las partículas detectadas tenían una masa aproximadamente 200 veces mayor. el del electrón, el mismo 'mesotrón' (más tarde 'mesón mu', ahora muón ) descubierto en 1936 por Anderson y Neddermeyer utilizando una cámara de niebla . 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 y otros. Esto significó que Bose y Chowdhuri tuvieron que utilizar emulsiones comerciales estándar de medios tonos, en lugar de emulsiones nucleares. Diseñados específicamente para la detección de partículas, lo que hace aún más destacable la calidad de su trabajo. [28] [29] [30] [31] [32]
A raíz de esos desarrollos, después de la Segunda Guerra Mundial , Powell y su grupo de investigación en 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 (ver 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 rango-energía requeridas para las partículas cargadas en la nueva emulsión. [33]
Posteriormente utilizaron estas emulsiones para realizar dos de los descubrimientos más importantes de la 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 Pi- mesón . [4]
En segundo lugar, dos años más tarde, en 1949, analizando placas expuestas en el Observatorio Sphinx en el Jungfraujoch en Suiza, Rosemary Brown, una estudiante de investigación en la Universidad de Cecil Powell , realizó las primeras observaciones precisas del mesón K positivo y sus "extrañas " desintegraciones. grupo en Bristol. [6] Conocido entonces 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 la paridad en la interacción débil . Rosemary Brown llamó a la sorprendente imagen de emulsión de cuatro pistas, [1] de una 'Tau' descomponiéndose en tres piones cargados, su "pista K", nombrando así efectivamente al recién descubierto mesón K 'extraño' . Cecil Powell recibió el Premio Nobel de Física en 1950 "por su desarrollo del método fotográfico para estudiar los procesos nucleares y sus descubrimientos sobre los mesones creados 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 finales del siglo XX. [1] Sin embargo, siguió utilizándose el método en el estudio de interacciones raras y procesos de desintegración. [34] [35] [36] [37] [38]
Más recientemente, las búsquedas de " Física más allá del modelo estándar ", en particular el estudio de los neutrinos y la materia oscura en sus extremadamente raras interacciones con la materia normal, han llevado a un resurgimiento de la técnica, incluida la automatización del procesamiento de imágenes en emulsión. [7] Algunos ejemplos son el experimento OPERA , [39] que estudia las oscilaciones de neutrinos en el Laboratorio Gran Sasso en Italia, y el experimento FASER en el LHC del CERN , que buscará partículas nuevas, ligeras y que interactúen débilmente, incluidos fotones oscuros . [40]
Existe una serie de campos científicos y técnicos en los que ha encontrado aplicación la capacidad de la emulsión nuclear para registrar con precisión la posición, dirección y energía de partículas cargadas eléctricamente, o para integrar su efecto. Estas aplicaciones implican en la mayoría de los casos el rastreo de marcadores radiactivos implantados mediante Autorradiografía . Ejemplos son:
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