• Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: Por que não colocamos detectores de partículas no espaço?

Uma combinação de dados de raios-X, ópticos e infravermelhos revela o pulsar central no núcleo da Nebulosa do Caranguejo, incluindo os ventos e fluxos que os pulsares cuidam da matéria circundante. Os pulsares são emissores conhecidos de raios cósmicos, mas há uma razão pela qual não situamos esses detectores principalmente no espaço. (RAIO X: NASA/CXC/SAO; ÓPTICO: NASA/STSCI; INFRAVERMELHO: NASA-JPL-CALTECH)

As partículas de energia mais alta de todas vêm do espaço, não de colisores feitos pelo homem.

Quando se trata das colisões de partículas mais energéticas de todas, você pode pensar que o Grande Colisor de Hádrons é o lugar definitivo ir. Afinal, é para isso que ele foi especificamente projetado para fazer: acelerar partículas, de maneira controlada, para as energias mais altas e as maiores velocidades possíveis, e depois colidi-las umas com as outras em pontos de colisão específicos, onde instalamos detectores para monitorar as propriedades de tudo o que sai.

Com equipamentos suficientemente sofisticados - detectores de pixels extremamente próximos ao ponto de colisão, calorímetros para monitorar a energia e o momento transportado pelas partículas, campos magnéticos para fazer com que as partículas se curvem com base em sua carga elétrica e massa, etc. essa colisão a cada momento ao longo do caminho. De vez em quando, via Einstein E = mc² , partículas novas, instáveis ​​e raras são criadas, permitindo-nos descobri-las e medir suas propriedades. Mas há um limite fundamental para o que podemos ver em um colisor, e esse limite é definido pelas energias máximas alcançáveis ​​das partículas sendo aceleradas. No entanto, há uma maneira concebível de superar esses limites: simplesmente enviar um detector para o espaço. Isso funcionaria? Essa é a pergunta de Mel Neville, que escreve para perguntar:

É possível colocar um detector de partículas no espaço? Acho que ouvi dizer que existem partículas naturais com energias muito superiores ao LHC ou Future Collider. Seria possível monitorar quando eles atingem um alvo e detector em órbita para procurar novas físicas? Como um detector de partículas Hubble? Ou talvez na lua?

Não só é possível, mas há uma história aqui que remonta mais longe do que você poderia esperar. Aqui está o que podemos aprender sobre a física de partículas do próprio Universo.

A carga elétrica em um eletroscópio, dependendo de como você o carrega e de como as folhas dentro dele respondem. Mesmo se você deixar um eletroscópio carregado em um vácuo total e completo, as folhas não manterão sua carga para sempre, mas descarregarão lentamente ao longo do tempo. A razão é por causa dos raios cósmicos. (FIGURA 16–8 DA PÁGINA DE FÍSICA DE HONORS DA BOOMERIA)

A primeira pista que tivemos veio de um experimento simples e inicial realizado com carga elétrica: o eletroscópio. Um eletroscópio é um dispositivo simples onde um exterior isolado envolve uma câmara cheia de vácuo, onde a única coisa presente dentro da câmara é um condutor com duas folhas de metal presas a ele, com o condutor se estendendo para fora da própria câmara. Quando o condutor é aterrado, ou colocado em um estado sem carga, as duas folhas de metal experimentam apenas a força da gravidade e, portanto, ficam penduradas para baixo.

Se você colocar uma carga elétrica no condutor, no entanto, o metal deixa a carga com a mesma carga, e assim eles se repelem. Contanto que você o deixasse sozinho, você esperaria que a carga permanecesse no condutor e as folhas permaneceriam na mesma configuração eletrostática: elas mantêm sua carga e, portanto, continuam a se repelir.

Mas o que vimos, quando fizemos esse experimento, foi uma surpresa. Sim, as folhas carregavam e repeliam, mas depois descarregavam lentamente ao longo do tempo. Mesmo se você colocar todo o aparelho no vácuo, removendo totalmente o ar, ele ainda descarrega. De alguma forma, algo estava fazendo com que essa carga se dissipasse e não estava vindo do ar ao redor.

O nascimento da astronomia de raios cósmicos ocorreu em 1911 e 1912, quando Victor Hess voou, de balão, para as camadas superiores da atmosfera e mediu as partículas que vinham do espaço em chuvas de raios cósmicos. Seus resultados lhe renderam o Prêmio Nobel de Física de 1936. (SOCIEDADE FÍSICA AMERICANA)

Uma possibilidade era que houvesse algum tipo de radiação atingindo o eletroscópio. Embora a teoria principal fosse que as rochas da Terra emitiam radiação, outra possibilidade era que a radiação estivesse impactando a Terra do espaço. Desde que essa radiação consistisse em partículas carregadas, ela poderia efetivamente neutralizar qualquer objeto carregado ao longo do tempo. Para testar isso, o físico austríaco Victor Hess decidiu fazer algo incrivelmente ambicioso: fazer voos de balão o mais alto possível na atmosfera e medir a radiação atmosférica em várias altitudes.

Se a radiação vinha do solo, os eletroscópios deveriam descarregar mais lentamente em altitudes mais altas. Se a taxa não fosse alterada, no entanto, isso indicaria que a radiação deve ser originária do espaço. O primeiro voo de Hess, em 1911, atingiu ~1100 metros, onde ele não encontrou efetivamente nenhuma mudança no nível de radiação em comparação com o solo. Seu próximo palpite foi que o Sol poderia ser a fonte dessa radiação, então ele subiu, em 17 de abril de 1912, a uma altitude impressionante de 5.300 metros, durante um eclipse do Sol . Mais uma vez, não houve alteração no nível de radiação observado, indicando que vinha do espaço, e não do Sol.

Hess acabara de demonstrar a existência de partículas cósmicas de alta energia vindas de além do Sol no espaço: raios cósmicos.

O primeiro múon já detectado, juntamente com outras partículas de raios cósmicos, foi determinado como tendo a mesma carga do elétron, mas centenas de vezes mais pesado, devido à sua velocidade e raio de curvatura. O múon foi a primeira das gerações mais pesadas de partículas a serem descobertas, datando da década de 1930. (PAUL KUNZE, EM Z. FÍSICA 83 (1933))

Há uma diferença, no entanto, entre detectar um efeito decorrente de partículas que devem estar presentes e detectar e medir diretamente as propriedades dessas partículas. Dando continuidade ao trabalho de Hess, os físicos posteriormente construíram detectores iniciais que mediriam e caracterizariam quaisquer partículas que os atingissem. A primeira estratégia foi criar uma emulsão que fosse sensível a partículas carregadas, onde sempre que uma partícula carregada passasse por ela, um rastro seria deixado. Ao colocar um campo magnético ao redor de todo o detector, você garantiria que as partículas de carga se dobrassem, com a quantidade de dobra dependente apenas de

• a razão carga-massa da partícula,
• sua velocidade,
• e a força do campo magnético que você aplicou.

As emulsões, inicialmente, revelaram que mais de 90% dos raios cósmicos eram na verdade prótons, com a maior parte do restante sendo núcleos atômicos mais pesados, como partículas alfa (núcleos de hélio-4). Um pouco mais tarde, os físicos também desenvolveram a câmara de nuvens, que acabou sendo um dispositivo superior para medir trilhas de partículas em um ambiente de laboratório para a tecnologia de emulsão mais antiga. Na década de 1930, ambos os métodos valeram a pena quando ocorreram duas descobertas inesperadas. Em 1932, usando uma câmara de nuvens em seu laboratório, Carl Anderson descobriu uma contraparte carregada positivamente do elétron: um pósitron, que tinha uma trajetória idêntica ao elétron, mas curvada na direção oposta. No ano seguinte, Paul Kunze viu uma trilha misteriosa que se curvava como um elétron, mas muito menos: com uma relação carga-massa diferente. Ele a chamou, uma partícula de natureza incerta. Em 1936, Anderson e seu aluno, Seth Neddermeyer, o recriaram em laboratório, revelando pela primeira vez a natureza do múon.

A trilha em forma de V no centro da imagem surge de um múon decaindo para um elétron e dois neutrinos. A trilha de alta energia com uma torção é evidência de um decaimento de partículas no ar. Ao colidir pósitrons e elétrons em uma energia específica e ajustável, pares múon-antimúon podem ser produzidos à vontade. Naturalmente, cerca de 1 múon por segundo passa pela sua mão, devido a chuvas de partículas de raios cósmicos. (O ROADSHOW DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA ESCOCÊS)

Os físicos rapidamente perceberam o que deveria estar acontecendo. Embora a esmagadora maioria desses raios cósmicos fossem prótons, as camadas superiores da atmosfera fornecem um alvo involuntário: onde essas partículas cósmicas não estão mais viajando pelo vácuo do espaço, mas estão viajando por um meio onde podem atingir outras partículas. Com energias variando de alguns mega-elétron-volts (MeV) até – na época, além dos limites das energias mais altas que podiam ser medidas – essas colisões atmosféricas resultariam em uma chuva de partículas filhas, incluindo qualquer coisa que pudesse ser feito energeticamente via Einstein E = mc² .

Essa percepção abriu uma série de aplicações fascinantes para estudar não apenas os raios cósmicos, mas a própria natureza do Universo. Ao construir detectores de partículas no solo, poderíamos detectar os produtos dessas chuvas de raios cósmicos e tentar reconstruir o que aconteceu no topo da atmosfera. Ao procurar a luz Cherenkov, ou radiação eletromagnética azul/ultravioleta emitida por partículas relativísticas viajando mais rápido que a luz em um meio (como a atmosfera), podemos reconstruir a energia inicial do raio cósmico incidente. E, se colocarmos um detector no espaço, podemos, talvez, detectar essas partículas em movimento rápido enquanto viajam pelo Universo, antes mesmo de interagirem com nossa atmosfera e começarem a tomar banho.

Espectro de raios cósmicos dos vários núcleos atômicos encontrados entre eles. De todos os raios cósmicos que existem, 99% deles são núcleos atômicos. Dos núcleos atômicos, aproximadamente 90% são hidrogênio, 9% são hélio e ~1%, combinados, é todo o resto. O ferro, o mais raro dos núcleos atômicos, pode compor os raios cósmicos de maior energia de todos. (J.J. BEATTY, J. MATTHEW, E S.P. WAKELY, PARA A REVISÃO DA FÍSICA DE PARTÍCULAS CH. 29 (2019))

Todos os três foram aproveitados nas últimas décadas, revelando uma imagem fascinante dos raios cósmicos. Descobrimos que, embora existam partículas cósmicas originárias do Sol – na forma do vento solar – a maioria dos raios cósmicos vem de todo o céu e vêm igualmente de todas as direções com precisão de ~ 99,9%. Embora a maioria seja de prótons e a maioria do restante seja de núcleos de hélio-4, verifica-se que há um amplo espectro de núcleos atômicos que compõem os raios cósmicos, incluindo carbono, oxigênio e uma grande variedade de (principalmente) mesmo- núcleos atômicos numerados, indo até o ferro, que compreende alguns dos raios cósmicos mais raros, mas mais energéticos.

De ir ao espaço e fazer medições diretas lá, também descobrimos que existem algumas espécies exóticas de partículas que compõem alguns dos raios cósmicos. Embora cerca de 99% de todos os raios cósmicos sejam prótons ou outros núcleos atômicos, cerca de 1% são elétrons, uma fração pequena, mas não desprezível, são pósitrons – a contraparte antimatéria dos elétrons – e alguns são até antiprótons. Os neutrinos são abundantes, mas muito difíceis de detectar; no entanto, detectores como IceCube viram e mediram sua presença.

Pesquisas por anti-núcleos mais pesados, como anti-hélio, até agora não resultaram, assim como pesquisas por raios cósmicos instáveis ​​como múons. As que vemos descendo dos céus da Terra devem ser geradas exclusivamente por chuvas atmosféricas.

O espectro de energia dos raios cósmicos de maior energia, pelas colaborações que os detectaram. Os resultados são incrivelmente altamente consistentes de experimento para experimento e revelam uma queda significativa no limiar GZK de ~ 5 x 1⁰¹⁹ eV. Ainda assim, a origem desses raios cósmicos permanece apenas parcialmente compreendida. (J.J. BEATTY, J. MATTHEW, E S.P. WAKELY, PARA A REVISÃO DA FÍSICA DE PARTÍCULAS CH. 29 (2019))

Também conseguimos medir, em grande parte a partir de matrizes de grandes áreas de detectores terrestres, a energia dos raios cósmicos recebidos. É verdade que a maioria deles está na extremidade relativamente baixa, energeticamente, em comparação com o que podemos alcançar em aceleradores de partículas. A maioria dos raios cósmicos tem uma energia de um giga-elétron-volt (GeV) ou menos, enquanto o Grande Colisor de Hádrons pode atingir energias de até ~7.000 GeV por partícula, um limite que menos de 1 em um milhão de raios cósmicos vai atravessar.

Mas as energias dos raios cósmicos, embora o fluxo das partículas mais energéticas permaneça baixo, podem atingir valores muito maiores do que qualquer acelerador terrestre. De fato, os raios cósmicos mais altos já medidos são superiores a ~10¹¹ GeV (por próton ou nêutron no núcleo), ou mais de dez milhões de vezes mais energéticos do que qualquer coisa que possamos gerar em um colisor. Claro, essas partículas ultra-energéticas - o raios cósmicos de ultra-alta energia (UHECRs) — são extremamente raros; você precisaria construir um detector com 10 quilômetros de cada lado apenas para detectar um UHECR por ano. No entanto, com nossos maiores e mais sensíveis observatórios de raios cósmicos, confirmamos que eles existem até aproximadamente esta energia , embora não muito além disso.

Ilustração de raios cósmicos atingindo a atmosfera da Terra, onde produzem chuvas de partículas. Ao construir grandes conjuntos de detectores baseados no solo, a energia e a carga originais do raio cósmico que chega podem ser frequentemente reconstruídas, com observatórios como Pierre Auger liderando o caminho. (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

Com todo esse sucesso, você pode pensar que a física de partículas teria tido uma longa e bem-sucedida história no espaço, principalmente quando os balões deram lugar às aeronaves e depois aos foguetes, levando a humanidade a finalmente escapar dos laços da gravidade da Terra e alcançar a órbita e além. Afinal, algumas de nossas melhores medições de raios cósmicos vieram do ambiente do espaço, incluindo as que medem elétrons e pósitrons.

Mas há uma grande desvantagem de ir atrás dessas partículas de raios cósmicos: mesmo que alcancem energias tremendas, muito mais altas do que qualquer coisa que possamos alcançar na Terra, elas colidem com partículas que estão praticamente em repouso, ou o que chamamos de experimento de alvo fixo em física de partículas. Quando falamos em criar novas partículas via Einstein E = mc² , que é o que os chuveiros de raios cósmicos fazem e também o que ocorre em aceleradores de partículas terrestres, a energia que está disponível para a criação de partículas é apenas energia no que chamamos de referência de centro de massa (que na verdade é o centro de momento). quadro, Armação. Considerando que, no espaço, as partículas giram muito rapidamente, mas atingem partículas em repouso, as partículas dentro dos aceleradores podem circular em direções opostas, o que significa que um próton no sentido anti-horário que colide com um próton no sentido horário terá até 100% de sua energia disponível para a criação de novas partículas.

Um evento de Higgs candidato no detector ATLAS. Observe como mesmo com as assinaturas claras e os rastros transversais, há uma chuva de outras partículas; isso se deve ao fato de que os prótons são partículas compostas. Este é apenas o caso porque o Higgs dá massa aos constituintes fundamentais que compõem essas partículas. Em energias suficientemente altas, as partículas atualmente mais fundamentais conhecidas ainda podem se separar. (A COLABORAÇÃO ATLAS / CERN)

No Grande Colisor de Hádrons, colisões entre prótons e prótons têm até 14.000 GeV de energia disponível para a criação de partículas, e é assim que criamos um grande número de partículas pesadas e instáveis ​​em colisões, incluindo o esquivo bóson de Higgs e o mesmo- quark top mais massivo. O Large Hadron Collider também tem a vantagem de ter uma luminosidade muito alta, que é a linguagem física para um grande número de partículas circulando no sentido horário e anti-horário, levando a uma taxa de colisão muito grande nos pontos onde nossos detectores estão localizados. Literalmente, ao rodar esse acelerador por anos ou mesmo décadas, podemos acumular bilhões e bilhões de colisões, detectando o que sai e investigando além das fronteiras anteriores da física.

No espaço, os raios cósmicos de energia mais alta – se fizermos os cálculos para descobrir quanta energia está disponível para a criação de partículas – se saem um pouco melhor: eles podem chegar a cerca de ~ 400.000 GeV de energia disponível. O problema é que, se construíssemos um detector comparável ao detector CMS ou ATLAS no Large Hadron Collider, só contornaríamos um desses eventos ocorrendo no ponto de colisão a cada poucos milênios, o que é bastante inútil. Embora a energia real desses raios cósmicos seja tremenda, a energia útil disponível, para a criação de partículas e similares, é muito pequena para ser significativa para as partículas frequentes e muito infrequente para ser significativa para as partículas mais energéticas.

O Espectrômetro Magnético Alfa, mostrado em sua localização a bordo da Estação Espacial Internacional. Está a bordo da ISS há mais de uma década, onde até agora foi medido e detectado mais de 100 bilhões de eventos individuais de raios cósmicos. Revelando raios cósmicos de elétrons e pósitrons com precisão sem precedentes, é um dos nossos detectores de raios cósmicos mais bem-sucedidos de todos os tempos. (NASA)

No entanto, a verdade é que colocamos detectores de partículas no espaço, sendo o mais sofisticado o Espectrômetro Magnético Alfa (AMS02) a bordo da Estação Espacial Internacional, que nos forneceu nossa maior medição do espectro de pósitrons de raios cósmicos. Identificar a origem dos raios cósmicos – incluindo os mais energéticos, que supostamente dão origem aos raios cósmicos de antimatéria – continua sendo um problema contínuo, pois ainda não sabemos quanto deles são criados a partir de pulsares, de buracos negros, de fontes extragalácticas , e, se sobrar algum excesso, que coisas exóticas podem ser responsáveis ​​por isso? É até possível que alguns de nossos raios cósmicos se originem da matéria escura em decomposição ou aniquilação.

Infelizmente, no entanto, a incapacidade de controlar a direção do movimento dos raios cósmicos ou seus pontos de colisão significa que quaisquer colisões que ocorram ocorrerão aleatoriamente. Se fosse possível, com uma frequência não desprezível, fazer com que os raios cósmicos viajassem com momentos muito grandes em direções opostas para colidir, seríamos capazes de ultrapassar os limites atuais dos colisores terrestres. No momento, porém, não há boas ideias para concretizar essa possibilidade.

Certamente há uma nova física além do Modelo Padrão, mas pode não aparecer até energias muito, muito maiores do que um colisor terrestre poderia alcançar. Se pudermos descobrir como controlar os raios cósmicos de energia mais alta, poderíamos alcançar aproximadamente 3/4 do caminho para o deserto de energia nesta escala logarítmica, apenas um fator de ~ 10.000 abaixo da escala teórica da Grande Unificação. (UNIVERSE-REVIEW.CA)

Os raios cósmicos estão lá, colidindo com tudo o que encontram o tempo todo. Se pudermos descobrir como controlar suas direções e seus pontos de colisão – uma tarefa difícil, mas não impossível – podemos algum dia nos encontrar sondando milhões de vezes além das fronteiras atuais.

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Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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