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Detector de partículas

En física de partículas experimental y aplicada , física nuclear e ingeniería nuclear , un detector de partículas , también conocido como detector de radiación , es un dispositi...

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En física de partículas experimental y aplicada , física nuclear e ingeniería nuclear , un detector de partículas , también conocido como detector de radiación , es un dispositivo que se utiliza para detectar, rastrear y/o identificar partículas ionizantes , como las producidas por la desintegración nuclear , la radiación cósmica o las reacciones en un acelerador de partículas . Los detectores pueden medir la energía de la partícula y otros atributos como el momento, el espín, la carga y el tipo de partícula, además de simplemente registrar su presencia.

El funcionamiento de un detector de radiación nuclear

El principio de funcionamiento de un detector de radiación nuclear se puede resumir de la siguiente manera:

El detector identifica partículas o fotones de alta energía —como radiación alfa , beta , gamma o neutrones— mediante sus interacciones con los átomos del material del detector. Estas interacciones generan una señal primaria, que puede implicar la ionización de un gas, la creación de pares electrón-hueco en semiconductores o la emisión de luz en materiales centelleadores. La señal primaria se amplifica y procesa mediante sistemas electrónicos. Finalmente, el pulso eléctrico resultante se analiza para determinar las características de la radiación, como su energía, tasa de conteo o distribución espectral. [ 1 ]

Ejemplos y tipos

Resumen de los tipos de detectores de partículas

Muchos de los detectores inventados y utilizados hasta ahora son detectores de ionización (de los cuales los detectores de ionización gaseosa y los detectores semiconductores son los más típicos) y detectores de centelleo ; pero también se han aplicado otros principios completamente diferentes, como la luz de Čerenkov y la radiación de transición.

Las cámaras de niebla visualizan partículas creando una capa de vapor sobresaturada . Las partículas que pasan a través de esta región crean estelas de nubes similares a las estelas de condensación de los aviones.
Grabación de una cámara de burbujas en el CERN.

Ejemplos históricos

Detectores para protección radiológica

Los siguientes tipos de detectores de partículas se utilizan ampliamente para la protección radiológica y se producen comercialmente en grandes cantidades para su uso general en los campos nuclear, médico y medioambiental.

Electroscopio (cuando se utiliza como dosímetro portátil)

Detectores de uso común en física de partículas y nuclear.

Detectores modernos

Los detectores modernos en física de partículas combinan varios de los elementos mencionados anteriormente en capas, de forma muy parecida a una cebolla .

Detectores de partículas de investigación

Los detectores diseñados para aceleradores modernos son enormes, tanto en tamaño como en coste. El término contador se suele usar en lugar de detector cuando este cuenta las partículas, pero no determina su energía ni su ionización. Los detectores de partículas también suelen detectar radiación ionizante ( fotones de alta energía o incluso luz visible ). Si su función principal es la medición de la radiación, se denominan detectores de radiación ; sin embargo, dado que los fotones también son partículas, el término detector de partículas sigue siendo correcto.

En colisionadores

Bajo construcción

Sin colisionadores

En naves espaciales

Modelos teóricos de detectores de partículas

Más allá de sus implementaciones experimentales, los modelos teóricos de detectores de partículas también son de gran importancia para la física teórica. Estos modelos consideran sistemas cuánticos no relativistas localizados acoplados a un campo cuántico. [ 2 ] Reciben el nombre de detectores de partículas porque cuando el sistema cuántico no relativista se mide en un estado excitado, se puede afirmar que se ha detectado una partícula. [ 3 ] [ 4 ] La primera instancia de modelos de detectores de partículas en la literatura data de los años 80, donde WG Unruh introdujo una partícula en una caja para sondear un campo cuántico alrededor de un agujero negro. [ 3 ] Poco después, Bryce DeWitt propuso una simplificación del modelo, [ 5 ] dando lugar al modelo de detector de Unruh-DeWitt .

Más allá de sus aplicaciones a la física teórica, los modelos de detectores de partículas están relacionados con campos experimentales como la óptica cuántica , donde los átomos pueden utilizarse como detectores del campo electromagnético cuántico mediante la interacción luz-materia . Desde un punto de vista conceptual, los detectores de partículas también permiten definir formalmente el concepto de partículas sin depender de estados asintóticos ni de representaciones de una teoría cuántica de campos. Como afirma M. Scully , desde un punto de vista operacional se puede afirmar que "una partícula es lo que detecta un detector de partículas" [ 6 ] , lo que, en esencia, define una partícula como la detección de excitaciones de un campo cuántico.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Knoll, Glenn F. (2010). Detección y medición de radiación (4.ª  ed.). Hoboken, NJ: Wiley. ISBN 978-0-470-13148-0.
  2. ↑ Martín-Martínez, Eduardo; Montero, Miguel; del Rey, Marco (25 de marzo de 2013). "Detección de paquetes de ondas con el modelo de Unruh-DeWitt" . Revisión física D. 87 (6) 064038. arXiv : 1207.3248 . Código Bib : 2013PhRvD..87f4038M . doi : 10.1103/PhysRevD.87.064038 . S2CID 19334396 . 
  3. 1 2 Unruh, WG (1976-08-15). "Notas sobre la evaporación de agujeros negros" . Physical Review D. 14 ( 4): 870– 892. Bibcode : 1976PhRvD..14..870U . doi : 10.1103/PhysRevD.14.870 .
  4. ↑ Unruh, William G.; Wald, Robert M. (1984-03-15). "Qué sucede cuando un observador acelerado detecta una partícula de Rindler" . Physical Review D. 29 ( 6): 1047– 1056. Bibcode : 1984PhRvD..29.1047U . doi : 10.1103/PhysRevD.29.1047 .
  5. ↑ Irvine, JM (mayo de 1980). "Relatividad general: un estudio del centenario de Einstein". Physics Bulletin . 31 (4): 140. doi : 10.1088/0031-9112/31/4/029 . ISSN 0031-9112 . 
  6. ↑ Scully, Marlan O. (2009), "Revisión de la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo: Rutas ópticas cuánticas y clásicas de Maxwell hacia la ecuación de onda de Schrödinger", en Muga, Gonzalo; Ruschhaupt, Andreas; del Campo, Adolfo (eds.), Tiempo en mecánica cuántica - Vol. 2 , Lecture Notes in Physics, vol. 789, Berlín, Heidelberg: Springer, pp. 15–24 , doi : 10.1007/978-3-642-03174-8_2 , ISBN   978-3-642-03174-8
  • Jones, R. Clark (1949). "Un nuevo sistema de clasificación para detectores de radiación". Journal of the Optical Society of America . 39 (5): 327– 341. Bibcode : 1949JOSA...39..327J . doi : 10.1364/JOSA.39.000327 . PMID 18131432 . 
  • Jones, R. Clark (1949). "Erratum: The Ultimate Sensitivity of Radiation Detectors". Journal of the Optical Society of America . 39 (5): 343. Bibcode : 1949JOSA...39..343J . doi : 10.1364/JOSA.39.000343 .
  • Jones, R. Clark (1949). "Factores de mérito para detectores de radiación". Journal of the Optical Society of America . 39 (5): 344– 356. Bibcode : 1949JOSA...39..344J . doi : 10.1364/JOSA.39.000344 . PMID 18144695 . 

Lecturas adicionales

  • Grupen, C. (28 de junio - 10 de julio de 1999). "Física de la detección de partículas". AIP Conference Proceedings, Instrumentation in Elementary Particle Physics, VIII . Vol.  536. Estambul: Dordrecht, D. Reidel Publishing Co. pp. 3–34 . arXiv : physics/9906063 . doi : 10.1063/1.1361756 . 
  • Viehhauser, Georg; Weidberg, Tony (2024). Detectores en física de partículas: una introducción moderna . CRC Press. ISBN 978-1-003-28767-4.