À n'importe quel moment donné, l'atmosphère terrestre est inondée de rayons cosmiques à haute énergie qui ont été projetés par des supernovae et d'autres phénomènes astrophysiques bien au-delà du système solaire. Lorsque les rayons cosmiques entrent en collision avec l'atmosphère terrestre, ils se désintègrent en muons, des particules chargées légèrement plus lourdes qu'un électron.

Les muons ne durent que quelques fractions de seconde, et au cours de leur durée de vie éphémère, ils peuvent être trouvés à travers toutes les couches de l'atmosphère terrestre, circulant dans l'air autour de nous et pleuvant sur la surface à un rythme similaire à une légère bruine. Une petite fraction des muons peut même pénétrer la surface de la Terre et parcourir plusieurs kilomètres à travers la roche et la glace.

Aujourd'hui, les physiciens du MIT ont conçu un détecteur de muons à rayons cosmiques de poche pour suivre ces particules fantomatiques. Le détecteur peut être réalisé avec des pièces électriques communes, et lorsqu'il est allumé, il s'allume et compte à chaque passage d'un muon. L'appareil relativement simple ne coûte que 100 $ à construire, ce qui en fait le détecteur de muons le plus abordable disponible aujourd'hui.

Les chercheurs, dirigé par Spencer Axani, un étudiant diplômé du département de physique du MIT, ont conçu le détecteur en pensant aux étudiants. Ils ont lancé un programme de sensibilisation appelé CosmicWatch, avec un site Web qui répertorie les pièces à acheter et des instructions détaillées sur la façon de les assembler, étalonner, et lancez le détecteur. L'équipe estime qu'un lycéen moyen devrait passer environ quatre heures à construire un détecteur pour la première fois, et juste une heure pour le construire une deuxième fois.

Une fois opérationnel, des détecteurs peuvent être transportés pour mesurer les taux de muons dans pratiquement n'importe quel environnement. L'équipe a contribué à fournir près de 100 détecteurs à des élèves du secondaire et du collégial, qui ont envoyé les instruments dans des avions et des ballons météo pour mesurer les taux de muons à haute altitude. Les étudiants ont également, comme Axani l'a fait, pris les détecteurs sous terre.

« Vous obtenez des regards amusants lorsque vous prenez des détecteurs de particules dans le métro, mais nous l'avons fait à Boston, " dit Axani. " Puisque le taux de muons diminuera au fur et à mesure que vous descendez, nous avons mis les détecteurs dans une station de métro pour mesurer à quelle distance nous étions sous terre."

Les chercheurs ont publié la première version de la conception du détecteur dans le Journal américain de physique . Les co-auteurs d'Axani sont Janet Conrad, professeur de physique au MIT, et Conor Kirby junior. Les détails concernant leur dernière version sont disponibles sur la page Web de CosmicWatch.

Trésor à la poubelle

Axani avait initialement l'intention de construire un petit détecteur de muons portable en tant que module complémentaire miniature à IceCube, un énorme détecteur de particules enfermé dans la glace, profondément sous terre au pôle Sud. IceCube est conçu pour détecter des particules subatomiques appelées neutrinos.

Les scientifiques de l'observatoire ont proposé d'insérer un petit détecteur de muons dans PINGU (Precision IceCube Next Generation Upgrade), un réseau proposé qui augmenterait la sensibilité du détecteur aux neutrinos de basse énergie. Petits détecteurs de muons, enterré dans un tel tableau, serait en mesure de marquer la position précise des muons, permettant aux scientifiques de tamiser ces particules dans leur recherche de neutrinos.

Axani s'est chargé de concevoir un prototype de détecteur de muons à utiliser dans PINGU. Les détecteurs de muons typiques sont constitués de tubes photomultiplicateurs garnis d'un scintillateur, un matériau qui émet de la lumière lorsqu'il est frappé par une particule chargée. Lorsqu'une particule telle qu'un muon rebondit à travers le détecteur, le tube photomultiplicateur multiplie le courant produit par la lumière émise. De cette façon, même un seul photon peut produire un courant suffisamment grand pour qu'il puisse être mesuré. Ceci est utilisé pour déterminer si un muon ou une autre particule a traversé le détecteur.

Alors que la plupart des détecteurs de muons à l'échelle du laboratoire sont fabriqués à partir de des photomultiplicateurs encombrants et des batteries encore plus grosses pour les alimenter, Axani a cherché des moyens de réduire le design.

Après avoir fouillé dans les équipements électroniques mis au rebut au MIT, il a trouvé les composants dont il avait besoin pour construire un appareil beaucoup plus fin, nécessitant très peu de puissance.

Il a également conçu des composants électroniques et logiciels simples pour afficher le nombre de muons traversant le détecteur, faisant du détecteur un instrument de mesure et de lecture autonome.

Un projet prend son envol

Depuis qu'Axani a d'abord tenté de concevoir un prototype, son projet s'est transformé en un effort de sensibilisation, comme il s'est rendu compte que les composants utilisés pour construire le détecteur sont relativement courants, facile d'accès, et simple à assembler, toutes des qualités idéales pour enseigner aux étudiants la physique des particules.

Il, Conrad, et un collègue du Centre national de recherche nucléaire en Pologne, K. Frankiewicz, ont assemblé des kits pour les étudiants, qui peut être utilisé pour construire des détecteurs portables individuels de la taille d'un grand téléphone portable. Chaque kit comprend un morceau de scintillateur en plastique, un photomultiplicateur au silicium SensL, un Arduino Nano, un écran de lecture, un circuit imprimé sur mesure, et un boîtier imprimé en 3D, disponible dans un arc-en-ciel de couleurs.

L'équipe a fourni des kits aux étudiants de l'Université de Varsovie en Pologne, ainsi que l'Université des sciences et technologies du Missouri, où les étudiants ont construit un ensemble de détecteurs et les ont envoyés dans des ballons météo pour mesurer les muons à haute altitude. Les étudiants ont également emporté les détecteurs dans des avions pour mesurer les différents comptes de muons à différentes altitudes.

« Au niveau de la mer, vous pourriez voir un compte toutes les deux secondes au niveau de la mer, mais dans un avion à l'altitude de croisière, ce taux augmente d'environ un facteur de 50 - un changement radical, " dit Axani. " A partir du taux mesuré, vous pouvez recalculer l'altitude réelle de l'avion. "

Un groupe de l'Université de Boston étudie également les possibilités de placer les détecteurs de muons dans des fusées suborbitales, atteignant des altitudes de 100, 000 pieds.

"Quand tu te lèves assez haut, vous sortez de la région de production de muons des rayons cosmiques, et vous pouvez commencer à voir le chiffre d'affaires, où les taux de muons augmentent à une certaine altitude puis commencent à diminuer au-delà d'une certaine altitude, " dit Conrad.

Finalement, les chercheurs aimeraient appliquer leur détecteur de poche comme moyen de tomographie muonique, une technique qui utilise la distribution de muons pour créer une image tridimensionnelle de la quantité de matière entourant un détecteur. Dans le passé, les scientifiques ont utilisé des instruments de tomographie à muons, un peu comme les rayons X ou les tomodensitogrammes, découvrir des structures géologiques, dont le plus célèbre était un effort dans les années 1960 pour rechercher des chambres cachées dans la pyramide de Khéphren, à Gizeh.

"C'est quelque chose que j'aimerais essayer à un moment donné, peut-être pour tracer le bureau à l'étage au-dessus de moi, " dit Axani. " Pour l'instant, j'aime prendre ces détecteurs dans ma mallette et mesurer le taux de muons lorsque je voyage. "

Les chercheurs continueront à proposer des kits sur le site CosmicWatch, ainsi que des instructions sur la façon de les assembler et de les appliquer. Ils espèrent également recueillir les commentaires des étudiants et des éducateurs qui ont utilisé les kits.

"C'est un très bel exemple de la façon dont une jolie physique ésotérique peut produire quelque chose qui est directement utile, " dit Conrad.