In un dato momento, l'atmosfera terrestre è inondata di raggi cosmici ad alta energia che sono stati lanciati da supernovae e altri fenomeni astrofisici ben oltre il Sistema Solare. Quando i raggi cosmici si scontrano con l'atmosfera terrestre, decadono in muoni, particelle cariche leggermente più pesanti di un elettrone.

I muoni durano solo frazioni di secondo, e durante la loro fugace vita possono essere trovati attraverso ogni strato dell'atmosfera terrestre, che circola nell'aria intorno a noi e piove sulla superficie con una velocità simile a una pioggerellina leggera. Una piccola frazione di muoni può persino penetrare la superficie terrestre e viaggiare per diversi chilometri attraverso roccia e ghiaccio.

Ora i fisici del MIT hanno progettato un rilevatore di muoni di raggi cosmici tascabile per tracciare queste particelle spettrali. Il rivelatore può essere realizzato con parti elettriche comuni, e quando acceso, si accende e conta ogni volta che passa un muone. Il dispositivo relativamente semplice costa solo $ 100 per essere costruito, rendendolo il rivelatore di muoni più conveniente oggi disponibile.

I ricercatori, guidato da Spencer Axani, uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica del MIT, hanno progettato il rilevatore pensando agli studenti. Hanno avviato un programma di sensibilizzazione chiamato CosmicWatch, con un sito web che elenca le parti da acquistare e istruzioni dettagliate su come assemblare, calibrare, ed eseguire il rilevatore. Il team stima che uno studente medio delle superiori dovrebbe impiegare circa quattro ore a costruire un rilevatore per la prima volta, e solo un'ora per costruirlo una seconda volta.

Una volta installato e funzionante, i rivelatori possono essere portati in giro per misurare i tassi di muoni praticamente in qualsiasi ambiente. Il team ha contribuito a fornire quasi 100 rilevatori a studenti delle scuole superiori e universitari, che hanno inviato gli strumenti su aerei e palloni meteorologici per misurare i tassi di muoni ad alta quota. Gli studenti hanno anche, come ha fatto Axani, preso i rilevatori sottoterra.

"Hai degli sguardi buffi quando porti i rilevatori di particelle nella metropolitana, ma l'abbiamo fatto a Boston, " dice Axani. "Poiché il tasso di muoni diminuirà man mano che scendi, abbiamo messo i rilevatori in una stazione della metropolitana per misurare quanto eravamo nel sottosuolo".

I ricercatori hanno pubblicato la prima versione del design del rivelatore nel Giornale americano di fisica . I coautori di Axani sono la professoressa di fisica del MIT Janet Conrad e il giovane Conor Kirby. I dettagli sulla loro ultima versione possono essere trovati sulla pagina web di CosmicWatch.

Tesoro nella spazzatura

Axani originariamente intendeva costruire un piccolo, rilevatore di muoni portatile come componente aggiuntivo in miniatura di IceCube, un enorme rivelatore di particelle racchiuso nel ghiaccio, nel sottosuolo al Polo Sud. IceCube è progettato per rilevare particelle subatomiche chiamate neutrini.

Gli scienziati dell'osservatorio hanno proposto di inserire un piccolo rivelatore di muoni in PINGU (Precision IceCube Next Generation Upgrade), un array proposto che aumenterebbe la sensibilità del rivelatore ai neutrini a bassa energia. Piccoli rivelatori di muoni, sepolto in una tale schiera, sarebbe in grado di etichettare la posizione precisa dei muoni, consentendo agli scienziati di vagliare quelle particelle nella loro ricerca di neutrini.

Axani ha assunto il compito di progettare un prototipo di rivelatore di muoni da utilizzare in PINGU. I tipici rivelatori di muoni sono costituiti da tubi fotomoltiplicatori rivestiti con uno scintillatore, un materiale che emette luce quando viene colpito da una particella carica. Quando una particella come un muone rimbalza attraverso il rivelatore, il tubo fotomoltiplicatore moltiplica la corrente prodotta dalla luce emessa. In questo modo, anche un singolo fotone può creare una corrente abbastanza grande da poter essere misurata. Questo è usato per determinare se un muone o un'altra particella è passata attraverso il rivelatore.

Mentre la maggior parte dei rivelatori di muoni su scala di laboratorio sono realizzati da grandi, fotomoltiplicatori ingombranti e batterie ancora più grandi per alimentarli, Axani ha cercato modi per ridurre il design.

Dopo aver scavato tra le apparecchiature elettroniche scartate al MIT, ha trovato i componenti di cui aveva bisogno per costruire un dispositivo molto più sottile, richiedendo pochissima potenza.

Ha anche progettato semplici componenti elettronici e software per visualizzare il numero di muoni che passano attraverso il rivelatore, rendendo il rivelatore uno strumento di misura e lettura autonomo.

Un progetto prende il volo

Da quando Axani ha tentato per la prima volta di progettare un prototipo, il suo progetto si è trasformato in più di uno sforzo di sensibilizzazione, poiché si è reso conto che i componenti utilizzati per costruire il rilevatore sono relativamente comuni, facilmente accessibile, e semplice da assemblare:tutte qualità ideali per insegnare agli studenti la fisica delle particelle.

Lui, Corrado, e un collega del Centro nazionale per la ricerca nucleare in Polonia, K. Frankiewicz, hanno assemblato i kit per gli studenti, che può essere utilizzato per costruire rilevatori portatili individuali delle dimensioni di un grande cellulare. Ogni kit include un pezzo di scintillatore plastico, un fotomoltiplicatore al silicio SensL, un Arduino Nano, uno schermo di lettura, un circuito stampato progettato su misura, e un involucro stampato in 3D, disponibile in un arcobaleno di colori.

Il team ha fornito kit agli studenti dell'Università di Varsavia in Polonia, così come la Missouri University of Science and Technology, dove gli studenti hanno costruito una serie di rivelatori e li hanno inviati in palloni meteorologici per misurare i muoni ad alta quota. Gli studenti hanno anche portato i rivelatori su aerei per misurare i diversi conteggi di muoni a varie altitudini.

"A livello del mare, potresti vedere un conteggio ogni due secondi a livello del mare, ma su un aereo ad altitudine di crociera, quel tasso aumenta di circa un fattore 50:un cambiamento drammatico, "Dice Axani. "Dalla velocità misurata puoi calcolare a ritroso quale fosse l'altitudine effettiva dell'aereo."

Un gruppo della Boston University sta anche studiando la possibilità di posizionare i rivelatori di muoni in razzi suborbitali, raggiungendo quota 100, 000 piedi.

"Quando ti alzi abbastanza in alto, esci dalla regione di produzione di muoni dei raggi cosmici, e puoi iniziare a vedere il fatturato, dove i tassi di muoni aumentano ad una certa altitudine e poi iniziano a diminuire oltre una certa altitudine, "dice Corrado.

Infine, i ricercatori vorrebbero applicare il loro rilevatore tascabile come mezzo di tomografia muonica, una tecnica che utilizza la distribuzione dei muoni per creare un'immagine tridimensionale della quantità di materiale che circonda un rivelatore. Gli scienziati in passato hanno utilizzato strumenti di tomografia a muoni, proprio come i raggi X o le scansioni TC, per scoprire strutture geologiche, il più famoso dei quali è stato uno sforzo negli anni '60 per cercare camere nascoste nella Piramide di Chefren, a Giza.

"Questo è qualcosa che mi piacerebbe provare ad un certo punto, magari per mappare l'ufficio al piano sopra di me, " dice Axani. "Per ora mi piace portare questi rivelatori nella mia valigetta e misurare la velocità dei muoni quando sono in viaggio."

I ricercatori continueranno a offrire kit sul sito web di CosmicWatch, insieme alle istruzioni su come assemblarli e applicarli. Sperano anche di raccogliere feedback da studenti ed educatori che hanno utilizzato i kit.

"Questo è un bell'esempio di come la fisica piuttosto esoterica possa produrre qualcosa che è direttamente utile, "dice Corrado.