Un monitor de neutrones es un detector terrestre diseñado para medir la cantidad de partículas cargadas de alta energía que llegan a la atmósfera terrestre desde el espacio exterior . Por razones históricas, las partículas entrantes se denominan " rayos cósmicos ", pero en realidad son partículas, predominantemente protones y núcleos de helio . La mayor parte del tiempo, un monitor de neutrones registra los rayos cósmicos galácticos y su variación con el ciclo de manchas solares de 11 años y el ciclo magnético de 22 años . Ocasionalmente, el Sol emite rayos cósmicos de suficiente energía e intensidad para aumentar los niveles de radiación en la superficie de la Tierra hasta el grado en que son fácilmente detectados por los monitores de neutrones. Se denominan " mejoras a nivel del suelo " (GLE).
El monitor de neutrones fue inventado por el profesor John A. Simpson de la Universidad de Chicago en 1948. [1] El monitor NM64 de "18 tubos", que hoy es el estándar internacional, es un instrumento grande que pesa alrededor de 36 toneladas.
Cuando una partícula de alta energía procedente del espacio exterior (rayo cósmico "primario") se topa con la Tierra, su primera interacción suele ser con una molécula de aire situada a unos 30 km de altitud. Este encuentro hace que la molécula de aire se divida en fragmentos más pequeños, cada uno de ellos con alta energía. Los fragmentos más pequeños se denominan rayos cósmicos "secundarios" y, a su vez, chocan con otras moléculas de aire, lo que da lugar a más rayos cósmicos secundarios. El proceso continúa y se denomina "cascada atmosférica". Si el rayo cósmico primario que inició la cascada tiene una energía superior a los 500 MeV, algunos de sus subproductos secundarios (incluidos los neutrones ) llegarán al nivel del suelo, donde podrán ser detectados por los monitores de neutrones.
Desde que el profesor Simpson los inventó en 1948, ha habido varios tipos de monitores de neutrones. Destacan los monitores "tipo IGY" desplegados en todo el mundo durante el Año Geofísico Internacional (IGY) de 1957 y los monitores "NM64" mucho más grandes (también conocidos como "supermonitores"). Sin embargo, todos los monitores de neutrones emplean la misma estrategia de medición que explota la dramática diferencia en la forma en que los neutrones de alta y baja energía interactúan con diferentes núcleos. (Casi no hay interacción entre neutrones y electrones ). Los neutrones de alta energía interactúan rara vez, pero cuando lo hacen, pueden alterar los núcleos, particularmente los núcleos pesados, produciendo muchos neutrones de baja energía en el proceso. Los neutrones de baja energía tienen una probabilidad mucho mayor de interactuar con los núcleos, pero estas interacciones son típicamente elásticas (como las colisiones de bolas de billar ) que transfieren energía pero no cambian la estructura del núcleo. Las excepciones a esto son unos pocos núcleos específicos (sobre todo el 10 B y el 3 He ) que absorben rápidamente neutrones de energía extremadamente baja y luego se desintegran liberando partículas cargadas muy energéticas. Con este comportamiento de las interacciones de neutrones en mente, el profesor Simpson seleccionó ingeniosamente los cuatro componentes principales de un monitor de neutrones:
Los monitores de neutrones miden indirectamente la intensidad de los rayos cósmicos que inciden sobre la Tierra y su variación con el tiempo. Estas variaciones se producen en muchas escalas de tiempo diferentes (y todavía son objeto de investigación). Los tres que se enumeran a continuación son ejemplos:
En un proceso denominado “modulación solar”, el Sol y el viento solar alteran la intensidad y el espectro energético de los rayos cósmicos galácticos que entran en el Sistema Solar . Cuando el Sol está activo, menos rayos cósmicos galácticos llegan a la Tierra que durante los momentos en que el Sol está tranquilo. Por esta razón, los rayos cósmicos galácticos siguen un ciclo de 11 años como el Sol, pero en la dirección opuesta: una alta actividad solar corresponde a rayos cósmicos bajos, y viceversa.
La principal ventaja del monitor de neutrones es su estabilidad a largo plazo, lo que lo hace adecuado para estudiar la variabilidad de los rayos cósmicos a lo largo de décadas.
Los monitores de neutrones de funcionamiento prolongado más estables son: [3] Oulu, [4] Inuvik, Moscú, Kerguelen, Apatity y Newark.
Ocasionalmente, el Sol expulsa una enorme cantidad de masa y energía en una " eyección de masa coronal " (CME). A medida que esta materia se mueve a través del sistema solar, suprime la intensidad de los rayos cósmicos galácticos. La supresión fue reportada por primera vez por Scott Forbush [5] y por eso se denomina " disminución de Forbush ".
Aproximadamente entre 10 y 15 veces por década, el Sol emite partículas de suficiente energía e intensidad para elevar los niveles de radiación en la superficie de la Tierra. La lista oficial de GLE se mantiene en la base de datos International GLE. [7] El mayor de estos eventos, denominado "aumento del nivel del suelo" (GLE), se observó el 23 de febrero de 1956. [8] [9] El GLE más reciente, (#72), ocurrió el 10 de septiembre de 2017, como resultado de una llamarada de clase X y se midió en la superficie tanto de la Tierra (por los monitores de neutrones) como de Marte (por el detector de evaluación de radiación en el rover Curiosity del Laboratorio Científico de Marte ).
En los primeros tiempos de la monitorización de neutrones, los descubrimientos se podían realizar con un monitor en una única ubicación. Sin embargo, el rendimiento científico de los monitores de neutrones mejora enormemente cuando se analizan los datos de numerosos monitores en conjunto. [10] Las aplicaciones modernas emplean con frecuencia conjuntos extensos de monitores. En efecto, el instrumento de observación no es un instrumento aislado, sino más bien el conjunto. NMDB [11] [12] (Real-time Neutron Monitor DataBase) proporciona acceso a la red más grande de estaciones en todo el mundo (más de 50 estaciones) a través de su interfaz NEST. [13] La conexión en red de monitores de neutrones proporciona nueva información en varias áreas, entre ellas: