Pesquisa Científica: Raios cósmicos: partículas do espaço sideral

sábado, 24 de setembro de 2022

Raios cósmicos: partículas do espaço sideral

Caros Leitores;

Uma fotomicrografia mostra onde os elétrons de alta energia brilharam através de uma emulsão de filme localizada em um espectrômetro fora da câmara alvo para os testes de laser de petawatt. As trilhas são levemente curvas devido à emulsão ser levemente curvada em seu suporte (Imagem: NASA/Marshall Space Flight Center e Universidade do Alabama em Huntsville)

A Terra está sujeita a um constante bombardeio de partículas subatômicas que podem atingir energias muito superiores às das maiores máquinas.

Em agosto de 1912, o físico austríaco Victor Hess fez um voo histórico de balão que abriu uma nova janela para a matéria no Universo. Ao subir para 5.300 metros, ele mediu a taxa de ionização na atmosfera e descobriu que ela aumentava para cerca de três vezes a do nível do mar. Ele concluiu que a radiação penetrante estava entrando na atmosfera de cima. Ele havia descoberto os raios cósmicos.

Essas partículas de alta energia que chegam do espaço sideral são principalmente (89%) prótons – núcleos de hidrogênio, o elemento mais leve e mais comum do Universo – mas também incluem núcleos de hélio (10%) e núcleos mais pesados (1%), todo o caminho até o urânio. Quando chegam à Terra, colidem com os núcleos de átomos na atmosfera superior, criando mais partículas, principalmente píons. Os píons carregados podem decair rapidamente, emitindo partículas chamadas múons. Ao contrário dos píons, estes não interagem fortemente com a matéria e podem viajar pela atmosfera para penetrar abaixo do solo. A taxa de múons que chegam à superfície da Terra é tal que cerca de um por segundo passa por um volume do tamanho da cabeça de uma pessoa.

Um novo mundo de partículas

Os estudos de raios cósmicos abriram as portas para um mundo de partículas além dos limites do átomo: a primeira partícula de antimatéria , o pósitron (o antielétron) foi descoberto em 1932, o múon em 1937, seguido pelo píon, o kaon e vários mais. Até o advento dos aceleradores de partículas de alta energia no início da década de 1950, essa radiação natural forneceu a única maneira de investigar o crescente "zoológico" de partículas. De fato, quando o CERN foi fundado em 1954, sua convenção incluiu os raios cósmicos na lista de interesses científicos. Mas mesmo que os aceleradores tenham se tornado o melhor terreno de caça para novas partículas, a física dos raios cósmicos ainda é amplamente estudada.

28 DE JUNHO DE 1785
Primeiras observações da descarga espontânea de um eletrômetro.

O eletrômetro de equilíbrio de torção que Coulomb usou para fazer suas observações (Imagem: Wikimedia commons )

Em 1785, o físico francês Charles Augustin de Coulomb fez três relatórios sobre eletricidade e magnetismo para a Academia Real de Ciências da França. Seu terceiro artigo descreveu um experimento com uma balança de torção, que mostrou que o dispositivo se descarregaria espontaneamente devido à ação do ar, e não ao isolamento defeituoso.

Em 1850, o físico italiano Cano Matteucci e mais tarde o físico britânico William Crookes em 1879 mostraram que a taxa de descarga espontânea diminuiu em pressões atmosféricas mais baixas. A busca por uma explicação para a natureza dessa descarga espontânea abriu caminho para a descoberta dos raios cósmicos – partículas de alta energia do espaço sideral.

Leia mais: Extrato de Mémoires sur l'électricité et le magnétisme (1785-89) de Charles Augustin de Coulomb.

Linha do tempo

Raios cósmicos

As energias dos raios cósmicos primários variam de cerca de 1 GeV – a energia de um acelerador de partículas relativamente pequeno – até 10 8 TeV, muito mais alta do que a energia do feixe do Grande Colisor de Hádrons . A taxa na qual essas partículas chegam ao topo da atmosfera diminui com o aumento da energia, de cerca de 10.000 por metro quadrado por segundo a 1 GeV para menos de um por quilômetro quadrado por século para as partículas de energia mais alta. Os raios cósmicos de altíssima energia geram enormes chuvas de até 10 bilhões de partículas secundárias ou mais, que podem ser captadas por detectores de partículas quando estão espalhadas por áreas de até 20 quilômetros quadrados na superfície da Terra.

Aceleradores cósmicos

Como os raios cósmicos atingem energias tão altas? Onde estão os aceleradores naturais? Os raios cósmicos de energia mais baixa chegam do Sol em um fluxo de partículas carregadas conhecido como vento solar, mas é difícil identificar a origem das partículas de energia mais alta à medida que elas torcem e giram nos campos magnéticos do espaço interestelar.

As pistas vieram do estudo de raios gama de alta energia do espaço sideral. Estes são muito menos do que os raios cósmicos carregados, mas sendo eletricamente neutros, não são influenciados por campos magnéticos. Eles geram chuvas de partículas secundárias que podem ser detectadas na Terra e que apontam para o ponto de origem dos raios gama. Fontes dos raios gama de maior energia em nossa própria galáxia, a Via Láctea, incluem os remanescentes de supernovas, como a famosa Nebulosa do Caranguejo; as ondas de choque dessas explosões estelares há muito são propostas como possíveis aceleradores naturais. Outras fontes de raios gama de energia ultra-alta estão em outras galáxias, onde objetos exóticos, como buracos negros supermassivos, podem impulsionar a aceleração. Há também evidências de que os raios cósmicos carregados de energia mais alta também têm origens semelhantes em outras galáxias.

Experimentos de raios cósmicos no CERN

Vista dentro da câmara do experimento CLOUD no CERN (Imagem: Maximilien Brice/CERN)

Poderia haver uma ligação entre os raios cósmicos galácticos e a formação de nuvens? Um experimento no CERN está usando a caixa mais limpa do mundo para descobrir.