Emulsión nuclear

Una placa de emulsión nuclear es un tipo de detector de partículas que se utilizó por primera vez en experimentos de física nuclear y de partículas en las primeras décadas del siglo XX. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} Es una forma modificada de placa fotográfica que se puede utilizar para registrar e investigar partículas cargadas rápidas como partículas alfa , nucleones , leptones o mesones . Después de exponer y revelar la emulsión, se pueden observar y medir las trayectorias de partículas individuales utilizando un microscopio.

La placa de emulsión nuclear es una forma modificada de placa fotográfica , recubierta con una emulsión fotográfica de gelatina más gruesa que contiene una mayor concentración de granos de haluro de plata muy finos ; la composición exacta de la emulsión está optimizada para la detección de partículas.

Su principal ventaja reside en una precisión y resolución espacial extremadamente altas, limitadas únicamente por el tamaño de los granos de haluro de plata ( submicrométricos ); una precisión y resolución que superan incluso a los mejores detectores de partículas modernos (observe la escala en la imagen inferior, de la desintegración del mesón K).

A stack of emulsion plates, effectively forming a block of emulsion, can record and preserve the interactions of particles so that their trajectories are recorded in 3-dimensional space as a trail of silver-halide grains, which can be viewed from any aspect on a microscopic scale.^[3] In addition, the emulsion plate is an integrating device that can be exposed or irradiated until the desired amount of data has been accumulated. It is compact, with no associated read-out cables or electronics, allowing the plates to be installed in very confined spaces and, compared to other detector technologies, is significantly less expensive to manufacture, operate and maintain. These features were decisive in enabling the high-altitude, mountain and balloon based studies of cosmic rays that led to the discovery of the pi-meson^[4][5] and parity violating charged K-meson decays;^[6] shedding light on the true nature and extent of the subnuclear "particle zoo", defining a milestone in the development of modern experimental particle physics.^[1]

The chief disadvantage of nuclear emulsion is that it is a dense and complex material (silver, bromine, carbon, nitrogen, oxygen) which potentially impedes the flight of particles to other detector components through multiple scattering and ionising energy loss. Finally, the development and scanning of large volumes of emulsion, to obtain useful, 3-dimensional digitised data, has in the past been a slow and labour-intensive process. However, recent developments in automation of the process may overcome that drawback.^[7]

These disadvantages, coupled with the emergence of new particle detector and particle accelerator technologies, led to a decline in use of nuclear emulsion plates in particle physics towards the end of the 20th century.^[1] However, there remains a continuing use of the method in the study of rare processes and in other branches of science, such as autoradiography in medicine and biology.

Para una descripción completa y técnicamente detallada del tema, consulte los libros de Powell, Fowler y Perkins ^{[ 2 ]} y de Barkas ^{[ 3 ]} . Para una revisión exhaustiva de la historia y el contexto científico más amplio del método de emulsión nuclear, consulte el libro de Galison ^{[ 8 ] .}

Tras el descubrimiento de la radiactividad por Henri Becquerel en 1896 ^{[ 9 ]} utilizando emulsión fotográfica , Ernest Rutherford , trabajando primero en la Universidad McGill en Canadá y luego en la Universidad de Manchester en Inglaterra, fue uno de los primeros físicos en utilizar ese método para estudiar en detalle la radiación emitida por materiales radiactivos . ^{[ 10 ]} En 1905, estaba utilizando placas fotográficas disponibles comercialmente para continuar su investigación sobre las propiedades de los rayos alfa recientemente descubiertos producidos en la desintegración radiactiva de algunos núcleos atómicos . ^{[ 10 ]} Esto implicaba analizar el oscurecimiento de las placas fotográficas causado por la irradiación con los rayos alfa . Este oscurecimiento era posible gracias a la interacción de las numerosas partículas alfa cargadas , que componen los rayos, con los granos de haluro de plata en la emulsión fotográfica que se hacían visibles mediante el revelado fotográfico . Rutherford animó a su colega de investigación en Manchester, Kinoshita Suekiti, ^{[ 11 ]} a investigar con más detalle la acción fotográfica de las partículas alfa .

Kinoshita included in his objectives "to see whether a single 𝛂-particle produced a detectable photographic event". His method was to expose the emulsion to radiation from a well measured radioactive source, for which the emission rate of 𝛂-particles was known. He used that knowledge and the relative proximity of the plate to the source, to compute the number of 𝛂-particles expected to traverse the plate. He compared that number with the number of developed halide grains he counted in the emulsion, taking careful account of 'background radiation' that produced additional 'non-alpha' grains in the exposure. He completed this research project in 1909,^[12] showing that it was possible "by preparing an emulsion film of very fine silver halide grains, and by using a microscope of high magnification, that the photographic method can be applied for counting 𝛂-particles with considerable accuracy".^[13] This was the first time that the observation of individual charged particles by means of a photographic emulsion had been achieved.^[1] However, that was the detection of individual particle impacts, not the observation of a particle's extended trajectory. Soon after that, in 1911, Max Reinganum^[14] showed that the passage of an 𝛂-particle at glancing incidence through a photographic emulsion produced, when the emulsion was developed, a row of silver halide grains outlining the trajectory of the 𝛂-particle; the first recorded observation of an extended particle track in an emulsion.^[15][1]

The next steps would naturally have been to apply this technique to the detection and research of other particle types, including the Cosmic Rays newly discovered by Victor Hess in 1912. However, progress was halted by the onset of World War I in 1914. The outstanding issue of improving the particle detection performance of standard photographic emulsions, in order to detect other types of particle - protons, for example, produce about one quarter of the ionisation caused by an 𝛂-particle^[16] - was taken up again by various physical research laboratories in the 1920s.^[1]

In particular Marietta Blau, working at the Institute for Radium Research, Vienna in Austria, began in 1923 to investigate alternative types of photographic emulsion plates for detection of protons, known as "H-rays" at that time.

Utilizó una fuente radiactiva de partículas α para irradiar cera de parafina , que tiene un alto contenido de hidrógeno. Una partícula α puede colisionar con un núcleo de hidrógeno (protón), expulsando dicho protón de la cera y depositándolo en la emulsión fotográfica, donde produce una huella visible de granos de haluro de plata. Tras numerosos ensayos, utilizando diferentes placas y protegiendo cuidadosamente la emulsión de la radiación no deseada, logró realizar la primera observación de huellas de protones en una emulsión nuclear. ^{[ 17 ]}

Mediante un ingenioso ejemplo de pensamiento lateral, aplicó un método similar para realizar la primera observación del impacto de neutrones en una emulsión nuclear. Al ser eléctricamente neutro, el neutrón no puede detectarse directamente en una emulsión fotográfica, pero si choca con un protón en la emulsión, ese protón de retroceso puede detectarse. ^{[ 18 ]} Utilizó este método para determinar el espectro de energía de los neutrones resultantes de procesos de reacción nuclear específicos. Desarrolló un método para determinar las energías de los protones midiendo la densidad de granos expuestos a lo largo de sus trayectorias (las partículas rápidas mínimamente ionizantes interactúan con menos granos que las partículas lentas). Para registrar con mayor precisión las largas trayectorias de los protones rápidos, recurrió al fabricante británico de películas Ilford (ahora Ilford Photo ) para espesar la emulsión en sus placas comerciales, y experimentó con otros parámetros de la emulsión —tamaño de grano, retención de imagen latente, condiciones de revelado— para mejorar la visibilidad de las trayectorias de partículas alfa y protones rápidos. ^{[ 19 ]}

En 1937, Marietta Blau y su antigua alumna Hertha Wambacher descubrieron estrellas de desintegración nuclear (Zertrümmerungsterne) debidas a la espalación en emulsiones nucleares que habían sido expuestas a radiación cósmica a una altura de 2300 m en el Hafelekarspitze , cerca de Innsbruck . ^{[ 20 ]} Este descubrimiento causó sensación en el mundo de la física nuclear y de rayos cósmicos, lo que dio a conocer el método de la emulsión nuclear a un público más amplio. Pero el inicio de la inestabilidad política en Austria y Alemania, que condujo a la Segunda Guerra Mundial , detuvo abruptamente el progreso en ese campo de investigación para Marietta Blau . ^{[ 21 ] [ 22 ]}

En 1938, el físico alemán Walter Heitler , que había escapado de Alemania como refugiado científico para vivir y trabajar en Inglaterra, estaba en la Universidad de Bristol investigando varios temas teóricos, incluida la formación de lluvias de rayos cósmicos . Le mencionó a Cecil Powell , que en ese momento estaba considerando el uso de cámaras de niebla para la detección de rayos cósmicos, ^{[ 23 ] [ 8 ]} que en 1937 los dos físicos vieneses, Blau y Wambacher, habían expuesto emulsiones fotográficas en los Alpes austríacos y habían visto las trayectorias de protones de baja energía, así como "estrellas" o desintegraciones nucleares causadas por rayos cósmicos.

Esto intrigó a Powell, quien convenció a Heitler de viajar a Suiza con un lote de emulsiones de semitonos Ilford ^{[ 24 ]} y exponerlas en el Jungfraujoch a 3500 m. En una carta a 'Nature' en agosto de 1939, pudieron confirmar las observaciones de Blau y Wambacher. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

Aunque la guerra puso fin decisivamente a la investigación de los rayos cósmicos en Europa entre 1939 y 1945, en la India, Debendra Mohan Bose y Bibha Chowdhuri , que trabajaban en el Instituto Bose de Calcuta , llevaron a cabo una serie de experimentos a gran altitud en la cima de las montañas utilizando emulsión fotográfica para detectar y analizar los rayos cósmicos. Estas mediciones fueron notables por la primera detección de muones mediante el método fotográfico: el minucioso análisis de Chowdhuri de las propiedades de las trazas observadas, incluidas las densidades de granos de haluro expuestos con correlaciones de alcance y dispersión múltiple, reveló que las partículas detectadas tenían una masa aproximadamente 200 veces mayor que la del electrón, el mismo "mesotrón" (más tarde "mu-mesón", ahora muón ) descubierto en 1936 por Anderson y Neddermeyer utilizando una cámara de niebla . La distancia y las circunstancias impidieron que Bose y Chowdhuri tuvieran el acceso relativamente fácil a los fabricantes de placas fotográficas que sí tuvieron Blau y, posteriormente, Heitler, Powell y otros. Esto significó que Bose y Chowdhuri tuvieron que usar emulsiones de semitonos comerciales estándar, en lugar de emulsiones nucleares diseñadas específicamente para la detección de partículas, lo que hace aún más notable la calidad de su trabajo. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

Following on from those developments, after World War II, Powell and his research group at Bristol University collaborated with Ilford (now Ilford Photo), to further optimise emulsions for the detection of cosmic ray particles. Ilford produced a concentrated 'nuclear-research' emulsion containing eight times the normal amount of silver bromide per unit volume (see External Link to 'Nuclear emulsions by Ilford'). Powell's group first calibrated the new 'nuclear-research' emulsions using the University of CambridgeCockcroft–Walton generator/accelerator, which provided artificial disintegration particles as probes to measure the required range-energy relations for charged particles in the new emulsion.^[33]

They subsequently used these emulsions to make two of the most significant discoveries in physics of the 20th century. First, in 1947, Cecil Powell, César Lattes, Giuseppe Occhialini and Hugh Muirhead (University of Bristol), using plates exposed to cosmic rays at the Pic du Midi Observatory in the Pyrenees and scanned by Irene Roberts and Marietta Kurz, discovered the charged Pi-meson.^[4]

Segundo, dos años después, en 1949, analizando placas expuestas en el Observatorio Sphinx en Jungfraujoch en Suiza, Rosemary Brown (ahora Rosemary Fowler ^{[ 34 ]} ), una estudiante de investigación en el grupo de Cecil Powell en Bristol, realizó las primeras observaciones precisas del mesón K positivo y sus desintegraciones "extrañas". ^{[ 6 ]} Entonces conocido como el "mesón Tau" en el rompecabezas tau-theta , la medición precisa de estos modos de desintegración del mesón K condujo a la introducción del concepto cuántico de extrañeza y al descubrimiento de la violación de la paridad en la interacción débil . Rosemary Brown llamó a la llamativa imagen de emulsión de cuatro pistas, ^{[ 1 ]} de un "Tau" desintegrándose en tres piones cargados, su "pista K", nombrando así efectivamente al mesón K "extraño" recién descubierto . Cecil Powell fue galardonado con el Premio Nobel de Física de 1950 "por el desarrollo del método fotográfico para estudiar los procesos nucleares y por sus descubrimientos sobre los mesones realizados con este método".

La aparición de nuevas tecnologías de detectores y aceleradores de partículas , junto con las desventajas señaladas en la introducción, provocó una disminución en el uso de placas de emulsión nuclear en física de partículas hacia finales del siglo XX. ^{[ 1 ]} Sin embargo, el método continuó utilizándose en el estudio de interacciones raras y procesos de desintegración. ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]}

Más recientemente, las búsquedas de " Física más allá del Modelo Estándar ", en particular el estudio de los neutrinos y la materia oscura en sus interacciones extremadamente raras con la materia ordinaria, han llevado a un resurgimiento de la técnica, incluyendo la automatización del procesamiento de imágenes de emulsión. ^{[ 7 ]} Ejemplos de ello son el experimento OPERA , ^{[ 40 ]} que estudia las oscilaciones de neutrinos en el Laboratorio Gran Sasso en Italia, y el experimento FASER en el LHC del CERN , que buscará nuevas partículas ligeras y de interacción débil, incluyendo fotones oscuros . ^{[ 41 ]}

Existen diversos campos científicos y técnicos donde la capacidad de la emulsión nuclear para registrar con precisión la posición, dirección y energía de partículas con carga eléctrica, o para integrar su efecto, ha encontrado aplicación. Estas aplicaciones, en la mayoría de los casos, implican el seguimiento de marcadores radiactivos implantados mediante autorradiografía . Algunos ejemplos son:

• Investigación médica
• Investigación biológica
• Metalurgia
• Química de superficies reactivas
• Protección radiológica
• Tomografía de muones ( Muografía ) ^{[ 42 ]}

• Arqueología . ^{[ 43 ]}

• Emulsiones nucleares de Ilford