När som helst, jordens atmosfär är fylld med kosmiska strålar med hög energi som har sprängts från supernovor och andra astrofysiska fenomen långt bortom solsystemet. När kosmiska strålar kolliderar med jordens atmosfär, de förfaller till myoner - laddade partiklar som är något tyngre än en elektron.

Muoner varar bara bråkdelar av en sekund, och under deras flyktiga livslängd kan de hittas genom varje lager av jordens atmosfär, cirkulerar i luften runt oss och regnar på ytan med en hastighet som liknar en lätt duggregn. En liten bråkdel av muoner kan till och med tränga in i jordens yta och resa flera kilometer genom sten och is.

Nu har fysiker vid MIT konstruerat en kosmisk strålmudondetektor i fickformat för att spåra dessa spöklika partiklar. Detektorn kan tillverkas med vanliga elektriska delar, och när den är påslagen, den tänds och räknas varje gång en muon passerar igenom. Den relativt enkla enheten kostar bara $ 100 att bygga, vilket gör den till den mest prisvärda muondetektorn som finns tillgänglig idag.

Forskarna, ledd av Spencer Axani, en doktorand vid MIT:s avdelning för fysik, har designat detektorn med eleverna i åtanke. De har startat ett uppsökande program som heter CosmicWatch, med en webbplats som listar delar att köpa och detaljerade instruktioner om hur man monterar, kalibrera, och kör detektorn. Teamet uppskattar att en genomsnittlig gymnasieelev ska spendera cirka fyra timmar på att bygga en detektor för första gången, och bara en timme att bygga det en andra gång.

När den väl är igång, Detektorer kan bäras runt för att mäta muonhastigheter i praktiskt taget alla miljöer. Teamet har hjälpt till att leverera nästan 100 detektorer till gymnasie- och högskoleelever, som har skickat upp instrumenten i flygplan och väderballonger för att mäta muonhastigheter på höga höjder. Studenter har också, som Axani har gjort, tagit detektorerna under jorden.

"Du får roliga utseende när du tar partikeldetektorer i tunnelbanan, men vi gjorde det i Boston, "Säger Axani." Eftersom muonhastigheten kommer att minska ju längre ner du går, vi satte detektorerna i en tunnelbanestation för att mäta hur långt under jorden vi var. "

Forskarna har publicerat den första versionen av detektordesignen i American Journal of Physics . Axanis medförfattare är MIT-professor i fysik Janet Conrad och junior Conor Kirby. Information om deras senaste version finns på CosmicWatch -webbsidan.

Skatt i papperskorgen

Axani tänkte ursprungligen bygga en liten, handhållen muondetektor som ett miniatyrtillägg till IceCube, en enorm partikeldetektor innesluten i is, djupt under jorden på Sydpolen. IceCube är utformat för att detektera subatomära partiklar som kallas neutrinoer.

Forskare vid observatoriet föreslog att en liten muondetektor skulle kunna sättas in i PINGU (Precision IceCube Next Generation Upgrade), en föreslagen gruppering som skulle öka detektorns känslighet för lågenerginutrinoer. Små muondetektorer, begravd i en sådan grupp, skulle kunna märka den exakta positionen för muoner, gör det möjligt för forskare att sålla bort dessa partiklar i deras jakt på neutrinoer.

Axani tog på sig uppgiften att designa en prototyp -muondetektor för användning i PINGU. Typiska muondetektorer består av fotomultiplikationsrör fodrade med en scintillator, ett material som avger ljus när den träffas av en laddad partikel. När en partikel som en muon studsar genom detektorn, fotomultiplikationsröret multiplicerar strömmen som produceras av det utsända ljuset. På det här sättet, även en enda foton kan göra en ström så stor att den kan mätas. Detta används för att avgöra om en muon eller annan partikel har passerat genom detektorn.

Medan de flesta muondetektorer i laboratorieskala är gjorda av stora, skrymmande fotomultiplikatorer och ännu större batterier för att driva dem, Axani letade efter sätt att krympa designen.

Efter att ha grävt igenom kasserad elektronikutrustning vid MIT, han hittade komponenterna han behövde för att bygga en mycket tunnare enhet, kräver väldigt lite ström.

Han konstruerade också enkel elektronik och programvarukomponenter för att visa antalet muoner som passerar genom detektorn, gör detektorn till ett fristående mät- och avläsningsinstrument.

Ett projekt tar flyg

Sedan Axani först försökte designa en prototyp, hans projekt har förvandlats till mer av en uppsökande insats, som han insett är komponenterna som används för att bygga detektorn relativt vanliga, lätt tillgänglig, och enkel att montera-alla idealiska egenskaper för att lära eleverna praktisk partikelfysik.

Han, Conrad, och en kollega vid National Center for Nuclear Research in Poland, K. Frankiewicz, har monterat kit för studenter, som kan användas för att bygga individuella handhållna detektorer ungefär lika stora som en stor mobiltelefon. Varje sats innehåller en plastscintillator, en SensL -kiselfotomultiplikator, en Arduino Nano, en avläsningsskärm, ett specialdesignat kretskort, och ett 3D-tryckt hölje, finns i en regnbåge av färger.

Teamet har levererat kit till studenter vid Warszawas universitet i Polen, liksom Missouri University of Science and Technology, där studenter har byggt en rad detektorer och skickat upp dem i väderballonger för att mäta muoner på stora höjder. Studenter har också tagit detektorerna på plan för att mäta de olika muonräkningarna på olika höjder.

"Vid havsnivå, du kan se en räkna varannan sekund vid havsnivå, men på ett plan på marschhöjd, den hastigheten ökar med ungefär en faktor 50 - en dramatisk förändring, "Axani säger." Från den uppmätta hastigheten kan du räkna ut vad planets faktiska höjd var. "

En grupp vid Boston University undersöker också möjligheterna att placera muondetektorerna i suborbitalraketer, når 100 höjder, 000 fot.

"När du kommer upp tillräckligt högt, du kommer ut ur kosmiska strålarnas produktionsområde muon, och du kan börja se omsättningen, där frekvensen av muoner ökar vid en viss höjd och sedan börjar minska utöver en viss höjd, Säger Conrad.

Så småningom, forskarna skulle vilja applicera sin fickdetektor som ett medel för muontomografi, en teknik som använder distributionen av muoner för att skapa en tredimensionell bild av mängden material som omger en detektor. Forskare har tidigare använt muontomografiinstrument, ungefär som röntgen eller CT-skanningar, att avslöja geologiska strukturer, den mest kända av dem var ett försök på 1960 -talet att söka efter dolda kamrar i Chephren -pyramiden, i Giza.

"Det är något jag skulle vilja testa någon gång, kanske för att kartlägga kontoret på golvet ovanför mig, "Säger Axani." För närvarande gillar jag att ta dessa detektorer i min portfölj och mäta muonhastigheten när jag reser. "

Forskarna kommer att fortsätta erbjuda kit på CosmicWatch -webbplatsen, tillsammans med instruktioner för hur man monterar och applicerar dem. De hoppas också kunna samla in feedback från studenter och lärare som har använt satserna.

"Detta är ett riktigt fint exempel på hur vacker esoterisk fysik kan producera något som är direkt användbart, Säger Conrad.