La cámara de niebla: la deuda histórica de la física de partículas a la meteorología

En este artículo se presenta descripción histórica de cómo se llegaron a “observar” por primera vez las partículas subatómicas gracias a al invento del físico escocés Charles Thomson Rees Wilson: la cámara de niebla, un invento que como veréis tiene mucho de meteorológico. La segunda parte de este texto se describe brevemente el funcionamiento de la cámara de niebla y como, junto unos compañeros, fue posible emular a esos pioneros de principios del siglo XX, elaborando nuestra propia cámara de niebla.

Historia de la cámara de niebla

La cámara de niebla fue desarrollada por el físico escocés Charles Thomson Rees Wilson (1869-1959). Durante el verano de 1894, Wilson fue asignado como observador meteorológico en la estación situada en el monte Ben Nevis, la mayor montaña de las Islas Británicas. Allí quedó maravillado por las formaciones nubosas que se producían y los fenómenos ópticos que ellas creaban. Tanto fue, que al volver a su laboratorio, decidió investigar sobre la formación de las nubes, creando una cámara de niebla de expansión.

Años antes, otro físico y meteorólogo, John Aitken (1839-1819), había desarrollado un mecanismo que permitía crear nieblas. Éste sería el prototipo de la cámara de Wilson, en el que se basaría. Además Aitken había descubierto que si introducía aire filtrado en la cámara no se producía condensación por lo que sugirió que el agua sólo se podía condensar en presencia de diminutas partículas. Estas partículas, microgranos de arena e iones de sal marina entre otros, se denominan hoy en día núcleos de condensación o núcleos de Aitken.

La cámara de expansión de Wilson intentaba reproducir el experimento de Aitken concentrando aire sobresaturado y expandiéndolo para disminuir la temperatura y condensar el agua. La importancia de la cámara de Wilson fue que era mucho mejor que la de Aiken, por lo que no solo observo la generación de vapor sino que inesperadamente empezó a observar pequeñas trazas en la niebla. Al principio pensó que se debía al polvo pero después de continuados experimentos para eliminarlo llegó a la conclusión de que otros núcleos de condensación deberían estar formándose dentro de la propia cámara. Wilson pensó que podrían ser iones del propio aire por lo que experimentó de nuevo con rayos X y uranio radioactivo, confirmando así su suposición. Finalmente en 1911, Wilson adecuó su cámara de niebla para el estudio de la radiación ionizante por la cual recibió el premio Nobel de física en 1927, el único obtenido por un meteorólogo, aunque no por sus actividades como meteorólogo (desde mi punto de vista una injusticia, ya que otros meteorólogos como Bjerknes, Richardson y Lorenz han realizado grandes contribuciones a la física). Este aparato fue mejorado en 1937 por Alexander Langsdorf (1912-1996), que desarrolló la cámara de niebla de difusión que permitía observar la radiación de forma continua ya que no precisa expandirse.

La cámara de niebla tuvo una gran utilidad para el estudio de las partículas durante la primera mitad del siglo XX y fue partícipe de grandes descubrimientos. Destacaremos entre ellos el descubrimiento del positrón por parte de Carl David Anderson (1905-1991) que le valió un premio Nobel, así como del muón descubierto también por Anderson (en ese momento creyó estar descubriendo el pión, que se pensaba que era el portador de la fuerza nuclear fuerte). Además sirvió también para confirmar la hipótesis de Hess sobre los rayos cósmicos (que fueron descubiertos mediante otros métodos), obteniendo también así un premio Nobel. Finalmente ésta fue sustituida en 1952 por la cámara de burbujas, otro detector que le valió un premio Nobel a su inventor Donald Arthur Glaser (1926-2013)

Elaboración y funcionamiento de una cámara de niebla

Hace unos meses, junto a varios compañeros decidimos intentar crear una cámara de niebla de difusión, y así observar partículas subatómicas. Al final, después de probar distintos modelos de cámaras y después de muchos fracasos y de no desistir, conseguimos elaborar una cámara de niebla en la que pudimos observar rayos cósmicos secundarios , la radiación de una muestra de uranio, y partículas de desintegración natural del suelo.

Veamos con más detalle cómo funciona la cámara. Para elaborar la cámara usamos un bote de plástico o vidrio transparente al que previamente se le añadido alcohol isopropílico (una sustancia altamente ionizable) en la parte inferior del bote. Seguidamente se coloca boca abajo en contacto con una placa de metal que así mismo estará en contacto con una sustancia muy fria (en nuestro caso hielo seco) de forma que se creará un gradiente de temperatura muy acusado. Así, el vapor de alcohol caerá y se sobreenfriará a medida que baje, es decir, tendremos vapor a una temperatura en que habitualmente encontramos la sustancia en forma líquida.

Una vez tenemos el detector preparado observaremos que se forman pequeñas trazas en la parte inferior del detector. Como se forman estas trazas? Cuando una partícula cargada pasa a través del detector, arranca los electrones de las moléculas de alcohol dejándolas ionizadas. Éstas se convierten por lo tanto en efectivos núcleos de condensación que atraen y permiten que se les unan otras moléculas de alcohol. Al unirse muchas moléculas, estas condensarán formando una traza visible en el vapor invisible.

A continuación os dejamos el video que grabamos observando estas trazas:

Nota: Este texto es un extracto adaptado de un artículo de divulgación que ha escrito el mismo autor para la Agrupación Astronómica de Sabadell y en la que dio una conferencia sobre el tema el día XX de febrero de 2013.

Sergi Gonzàlez i Herrero

(1)  Con secundarios se refiere a los productos de la interacción entre las partículas primarias con la atmosfera. Se observan son principalmente muones.