Título do proxecto: Estudio del flujo de muones con respecto a su ángulo cenital Autora: Isabel Sáinz Sáenz-Diez Docente: Tino Álvarez Muíña
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1 Título do proxecto: Estudio del flujo de muones con respecto a su ángulo cenital Autora: Isabel Sáinz Sáenz-Diez Docente: Tino Álvarez Muíña
2 Introducción Objetivos de la investigación: Adentrarse en el mundo de la física de partículas. Aprender sobre distintas áreas: física, electrónica y cálculo de incertidumbres. El propósito último es detectar rayos cósmicos y estudiar su comportamiento. Partes de la investigación: 1. Construcción un detector 2. Toma de datos con el detector construido. 3. Toma de datos con otro detector de diferente funcionamiento 4. Recopilación y comparación de resultados para llegar a las conclusiones.
3 Qué son los rayos cósmicos? Son un conjunto de partículas subatómicas de alta energía procedentes del espacio exterior que inciden en nuestra atmósfera de manera constante. Decaimiento Rayos cósmicos primarios Rayos cósmicos secundarios Son un 90% de protones, 9% de partículas alfa y el 1% restante núcleos más pesados Penetran en nuestra atmósfera e interaccionan con ella Son partículas ionizantes Decaen en otras partículas (radiación cósmica secundaria) Incluyen muones, neutrinos, fotones y electrones, entre otras partículas Pueden decaer en otras partículas Los muones son los más masivos y con una vida media relativamente larga; son los únicos capaces de atravesar ambos detectores.
4 La investigación Sabemos que los rayos cósmicos inciden en nuestra superficie de manera constante con diversos ángulos cenitales de incidencia. Podemos formular la hipótesis de que hay más probabilidades de que el ángulo cenital de las partículas sea menor, puesto que proceden del espacio exterior. Además, existen evidencias empíricas de que el coseno de dicho ángulo es directamente proporcional al flujo de partículas.
5 Fundamentos de la detección El detector construido Sistema similar al de dos contadores Geiger, cuyo fundamento es la ionización de las moléculas presentes en el interior de los detectores. El otro detector Se compone de dos tubos fotomultiplicadores recubiertos por placas centelleantes, Con la incidencia de una partícula se emite un fotón y se produce el efecto fotoeléctrico. Esquema de un tubo fotomultiplicador (Grupen: 165)
6 Construcción del detector o Cada detector consiste en una caja de metacrilato (a partir de cuatro piezas distintas) con láminas de aluminio pegadas en las partes inferior y superior del interior y con unos alambres de cobre en el medio. o Están sellados con silicona termoplástica. o Para el sistema de vaciado fueron necesarios tubos, llaves, un vacuómetro y la bomba de vacío. Alambres Piezas para el vaciado Láminas de aluminio Detectores antes de ser sellados
7 o Ambos detectores se conectan a la misma bomba de vacío y esta se deja funcionando de manera constante. La presión en el interior es de 0,1 atm. o El contador que registra las coincidencias entre ambos detectores se encuentra en el circuito externo construido en las placas board. o La fuente de alta tensión debe marcar en torno a unos 1,2 kv. o Podemos variar el ángulo con unas barras que tienen un transportador adjunto. Sistema de variación de ángulo y de vaciado
8 Circuito contador
9 Aspecto final de ambos detectores Detector construido Detector de la facultad Este detector pertenece a la facultad de física de la USC
10 Cálculos y medidas A partir de los datos brutos de los ángulos, las coincidencias registradas y el tiempo que dura el registro por cada ángulo: Media de las coincidencias para cada ángulo Flujo (Φ) por cada registro: 𝜙𝜙 = 𝑛𝑛 𝑆𝑆 𝑡𝑡 (cuentas m-2 s-1) Media del flujo para cada ángulo Coseno al cuadrado del ángulo (cos2(θ)) En el caso del detector construido, para cada ángulo cenital (0, 30, 45, 60 y 90º) se realizaron cinco registros de las detecciones en 5 minutos. Con el otro detector se registraron cinco medidas para cuatro ángulos (0, 30, 60 y 90º), cada una también durante 5 minutos.
11 Cálculo de incertidumbres Desviación estándar como incertidumbre de las medias: σ (n) para la media de las detecciones y σ (Φ) para la media de los flujos. Ángulo medio como incertidumbre del ángulo de las partículas (distinto para cada detector). Estamos aproximando el ángulo de los detectores al de las propias partículas, por lo que consideramos los valores máximos y mínimos del ángulo cenital con el que una partícula puede ser detectada. Aproximamos la función del coseno al cuadrado con el polinomio de Taylor para evitar posibles valores nulos de la incertidumbre: 1 𝑓𝑓 = 2 sen 𝜃𝜃 cos 𝜃𝜃 𝜃𝜃 + 2[𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠2 𝜃𝜃 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐2 (𝜃𝜃)] ( 𝜃𝜃)2 2
12 Datos procesados: Gráficas Gráfica 1: hay una relación lineal entre el número de coincidencias y el ángulo cenital de las partículas: el número de coincidencias disminuye al aumentar el ángulo cenital.
13 Gráfica 2: existe proporcionalidad directa entre el flujo de muones y el coseno al cuadrado del ángulo cenital.
14 Gráfica 3: hay variación del flujo de forma que éste aumenta con la disminución del ángulo cenital.
15 Conclusiones Se ha comprobado que a menor ángulo cenital del detector, mayor es el número de partículas incidentes: la probabilidad de que una partícula caiga con ángulos próximos a 0 es mayor que en el caso de ángulos próximos a 90. Además, ha quedado demostrado empíricamente que el flujo es directamente proporcional coseno al cuadrado del ángulo.
16 Bibliografía» Carlson, Shawn, (2001) Construcción de un telescopio de rayos cósmicos en Investigación y Ciencia, vol. 256, abril, págs » Gaisser, Thomas K., (1999) Cosmic Rays and Particle Physics. Cambridge, Cambridge University Press.» Grieder, Peter K. F., (2001) Cosmic rays at Earth: researcher s reference manual and data book. Amsterdam, Elsevier.» Grupen, C., (1996) Particle Detectors. Cambridge, Cambridge University Press.» Martin B.R., (2006) Nuclear and Particle Physics. Chichester, John Wiley & Sons.VV.AA., (2001)» Métodos estatísticos e numéricos. A Coruña, Bahía Edicións.
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