Os raios cósmicos são mais energéticos do que as partículas do LHC, e este truque mais rápido que a luz os revela
Os raios cósmicos, que são partículas de energia ultra-alta originárias de todo o Universo, atingem prótons na atmosfera superior e produzem chuvas de novas partículas. As partículas carregadas em movimento rápido também emitem luz devido à radiação Cherenkov, pois se movem mais rápido que a velocidade da luz na atmosfera da Terra e produzem partículas secundárias que podem ser detectadas aqui na Terra. (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)
Mais forte que o LHC e mais rápido que qualquer coisa, exceto a luz, o detector de partículas mais inteligente do mundo vê as partículas que nunca poderíamos criar na Terra.
Pode ser verdade que haja um limite de velocidade final para tudo no Universo – a velocidade da luz no vácuo – mas isso não significa que haja um limite para o quão energética uma única partícula pode ser. À medida que você bombeia progressivamente mais energia em uma partícula massiva, você pode fazê-la se mover cada vez mais rápido, aproximando-se assintoticamente do limite máximo de velocidade cósmica. Mas, paradoxalmente, quanto mais energética for essa partícula, mais difícil será detectá-la e medi-la com precisão.
A razão é simples: para medir a energia de uma partícula inicial, você precisa que a energia de seus produtos de decaimento e detritos seja depositada em seu detector, permitindo que você reconstrua sua energia original, massa, carga e assim por diante. Construir um detector maior e mais massivo simplesmente não funcionará em energias de raios cósmicos, que podem ser milhões de vezes superiores às alcançadas no LHC. Mas, ao diminuir a velocidade da luz, os físicos podem aproveitar um truque incrível para medir essas energias cósmicas, afinal. Aqui está como.
O CMS Collaboration, cujo detector é mostrado antes da montagem final aqui, é um dos maiores e mais densos detectores já construídos. As partículas que colidem no centro farão rastros e deixarão detritos que depositam energia no detector, permitindo aos cientistas reconstruir as propriedades e energias de quaisquer partículas criadas durante o processo. Este método é lamentavelmente inadequado para medir as energias dos raios cósmicos. (CERN/MAXIMLIEN BRICE)
Quando você aumenta a energia de uma partícula, fica cada vez mais fácil para essa partícula interagir com outra. Qualquer interação tem a chance de criar espontaneamente novas partículas e antipartículas – via Einstein E = mc² — ou emitir um quantum de radiação: um fóton. Quanto mais rápido uma partícula vai, mais provável é que ela interaja de tal forma que emita partículas adicionais, perdendo energia no processo de fazê-lo.
Quando você pensa em maneiras de fazer as partículas mais energéticas, a força eletromagnética reina suprema. Sempre que você coloca uma partícula carregada em um campo elétrico, ela acelera na direção do campo; sempre que você coloca um em um campo magnético, acelera perpendicularmente à direção do campo e ao movimento atual da partícula. Os aceleradores naturais mais fortes do Universo não estão localizados na Terra, mas sim em ambientes astrofísicos extremos: em torno de estrelas de nêutrons e buracos negros.
A impressão deste artista retrata os arredores de um buraco negro, mostrando um disco de acreção de plasma superaquecido e um jato relativístico. Ainda não determinamos se os buracos negros têm seu próprio campo magnético, independente da matéria fora dele. Muitos dos raios cósmicos de energia mais alta têm sido associados a fontes de buracos negros ou estrelas de nêutrons. (NICOLLE R. FULLER/NSF)
Aqui na Terra, usamos aceleradores de partículas para trazer objetos como prótons e elétrons tão perto da velocidade da luz quanto as condições de laboratório permitem, e chegamos muito perto do limite de velocidade cósmica final estabelecido por Einstein em 1905: c , ou 299.792.458 m/s. Mas tão rápido e tão enérgico quanto os obtivemos, eles simplesmente não se comparam às energias dos raios cósmicos que vimos.
- Próton mais rápido do Fermilab: 980 GeV; 99,999954% da velocidade da luz; 299.792.320 m/s.
- Próton LHC mais rápido: 7 TeV; 99,999990% da velocidade da luz; 299.792.455 m/s.
- Elétron LEP mais rápido (partícula aceleradora terrestre mais rápida): 105 GeV; 99,9999999988% da velocidade da luz; 299.792.457,9964 m/s.
- Próton de raio cósmico mais rápido: 5 × 10¹⁰ GeV; 99,999999999999999999973% a velocidade da luz; 299.792.457,99999999999992 m/s.
Aceleradores baseados na Terra não têm chance quando comparados às partículas mais rápidas de todas; eles não estão na mesma liga.
A galáxia NGC 1275, fotografada pelo Hubble, mostra sinais incríveis de um buraco negro ativo e alimentador em seu centro. A radiação de alta energia e as partículas emitidas desta galáxia ativa são apenas um dos muitos exemplos de fenômenos astrofísicos cujas energias excedem em muito qualquer coisa que já geramos na Terra. (NASA, ESA, HUBBLE HERITAGE (STSCI/AURA))
Podemos ser capazes de controlar campos elétricos e magnéticos incrivelmente bem em condições de laboratório, mas nossas energias terrestres são limitadas pelas restrições físicas dos eletroímãs e aceleradores que construímos aqui na Terra. Eles são certamente impressionantes, mas não são páreo para o laboratório do Universo.
Buracos negros, estrelas de nêutrons, fusão de sistemas estelares, supernovas e outros cataclismos astrofísicos podem acelerar partículas a energias que nunca seríamos capazes de igualar na Terra. Os raios cósmicos de energia mais alta viajam tão perto do limite máximo de velocidade cósmica, c , que se você corresse um próton de raio cósmico de energia ultra-alta contra um fóton até a estrela mais próxima e voltasse, você sabe o que aconteceria? Ao longo de uma viagem de ida e volta de quase 8,5 anos-luz, o fóton chegaria primeiro, mas por pouco. O próton estaria apenas 22 mícrons atrás, chegando apenas 0,7 picossegundos depois.
Uma parte do levantamento digital do céu com a estrela mais próxima do nosso Sol, Proxima Centauri, mostrada em vermelho no centro. Embora estrelas semelhantes ao Sol como a nossa sejam consideradas comuns, na verdade somos mais massivos do que 95% das estrelas do Universo, com 3 de 4 estrelas na classe de 'anãs vermelhas' de Proxima Centauri. A estrela de Barnard, o segundo sistema estelar mais próximo depois do sistema Alpha Centauri, também é uma estrela da classe M. (DAVID MALIN, UK SCHMIDT TELESCOPE, DSS, AAO)
Esses raios cósmicos de energia ultra-alta são gerados por inúmeras fontes em todo o Universo e viajam em todas as direções. Ocasionalmente, uma dessas partículas terá a trajetória certa para atingir a Terra. Quando esse evento fortuito ocorre, essa é a nossa grande chance. Essa é a nossa oportunidade de medir a energia das partículas que chegam ao solo e reconstruir as propriedades dos raios cósmicos originais.
A razão pela qual podemos fazê-lo, porém, é porque temos uma atmosfera ao redor da Terra. Com centenas de quilômetros de espessura, essa atmosfera age como um meio, em vez de um vácuo perfeitamente puro. Enquanto a velocidade da luz no vácuo pode ser fixa e imutável – 299.792.458 m/s – a velocidade da luz em um meio é sempre mais lenta. Mesmo o ar, que está bem próximo do vácuo, reduz a velocidade da luz para apenas 99,97% de sua velocidade de vácuo.
O núcleo do Reator de Teste Avançado do Laboratório Nacional de Idaho não está brilhando em azul porque há luzes azuis envolvidas, mas porque este é um reator nuclear que produz partículas carregadas relativísticas que são cercadas por água. Quando as partículas passam por essa água, elas excedem a velocidade da luz nesse meio, fazendo com que emitam radiação Cherenkov, que aparece como essa luz azul brilhante. (LABORATÓRIO NACIONAL DE ARGONNE)
Uma desaceleração de 0,03% não é muito, mas permite algo notável: as partículas de alta energia que entram em contato com nossa atmosfera se movem mais rápido que a velocidade da luz nesse meio. Quando isso ocorre, eles emitem um tipo especial de radiação: luz azul que é emitida em um ângulo específico em forma de cone, conhecida como radiação Čerenkov .
Os reatores nucleares, que emitem partículas em movimento rápido que podem potencialmente irradiar um ser humano, são cercados por água exatamente para esse fim. Eles protegem as pessoas das partículas que o reator emite, pois essas partículas são desaceleradas pela água, emitindo uma luz azul inofensiva. Energia é energia e, ao retirá-la das próprias partículas e convertê-la em luz, é uma ótima maneira de garantir a segurança das pessoas próximas.
Esta animação mostra o que acontece quando uma partícula carregada relativística se move mais rápido que a luz em um meio. As interações fazem com que a partícula emita um cone de radiação conhecido como radiação Cherenkov, que depende da velocidade e da energia da partícula incidente. Detectar as propriedades desta radiação é uma técnica extremamente útil e difundida na física de partículas experimental. (VLASTNI DILO / H. SELDON / DOMÍNIO PÚBLICO)
Quando um raio cósmico atinge nossa atmosfera, ele está se movendo muito mais rápido do que qualquer partícula que um reator nuclear possa gerar, mas a física é praticamente a mesma. A radiação Čerenkov emitida ocorrerá em uma frequência específica, calculável dependendo da faixa de energia do raio cósmico. Essa radiação será composta de raios gama e, como é criada em uma altitude tão alta (centenas de quilômetros), exigirá uma enorme variedade de telescópios terrestres sensíveis a raios gama para detectar.
A ideia, então, seria construir um Matriz do Telescópio Čerenkov , capaz de detectar essa luz de toda a Terra. Quando você vê até mesmo uma fração do cone apropriado e pode rastreá-lo até uma partícula individual, você pode reconstruir suas propriedades de uma maneira completamente nova. Embora este seja apenas um projeto proposto, a construção deve começar antes do final deste ano.
O conceito deste artista do Cherenkov Telescope Array ilustra os conceitos de mais de 100 telescópios de raios gama capazes de medir uma vasta gama de energias de partículas e até mesmo suas localizações originais. Através do CTA proposto, podemos finalmente entender quais fontes criam essas partículas de energia ultra-alta. (G. PÉREZ, IAC)
Atualmente, existem muitos observatórios de raios gama que também funcionam como telescópios Čerenkov, fornecendo o que você pode chamar de imagens atmosféricas dessas partículas de alta energia que atingem nosso planeta. Observatórios como H.E.S.S. , MAGIA e VERITAS todos forneceram localizações e energias para as fontes desses raios cósmicos de alta energia como nunca antes.
Mudar para o Čerenkov Telescope Array será um tremendo avanço. Ao todo, prevê-se que a matriz consista em 118 pratos: 19 no hemisfério norte (com foco em energias mais baixas e fontes extragalácticas) e 99 no hemisfério sul, com foco em todo o espectro de energias e fontes dentro de nossa própria galáxia. Atualmente, 32 países estão envolvidos neste consórcio, que é um empreendimento de US$ 300 milhões. O site Paranal–Armazones do ESO, no deserto do Atacama, no Chile, será o local com o maior número de pratos.
Mostrados aqui, os telescópios de raios gama do VERITAS, o Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System, foram usados para medir os raios gama emitidos como radiação Cherenkov por raios cósmicos de alta energia que atingem a atmosfera da Terra. Quando essas partículas se movem mais rápido que a luz em um meio, mesmo no meio da atmosfera da Terra, a emissão de radiação é inevitável. (2011 A COLABORAÇÃO VERITAS)
Este não é o único mecanismo pelo qual podemos medir os raios cósmicos, pois quando atingem as partículas na atmosfera da Terra, também produzem novas partículas. Esses chuveiros de partículas podem produzir relíquias que chegam à Terra, e observatórios baseados em partículas podem ser complementares aos observatórios baseados em luz que observam a radiação Čerenkov associada.
Mas os telescópios Čerenkov oferecem algo que os métodos baseados em partículas não oferecem: medindo apenas uma fração do que atinge a Terra, a energia e a trajetória das partículas que chegam podem ser reconstruídas com precisão. Se você quisesse fazer isso com detectores baseados em partículas, precisaria garantir que estava recebendo e medindo com precisão a energia e o momento de 100% das partículas criadas em um chuveiro. Mesmo detectores de raios cósmicos de classe mundial, como o Observatório Pierre Auger, não podem cumprir essa ambição.
Os raios cósmicos produzidos por fontes astrofísicas de alta energia podem atingir a superfície da Terra. Quando um raio cósmico colide com uma partícula na atmosfera da Terra, produz uma chuva de partículas que podemos detectar com matrizes no solo, mas mesmo na ausência de chuvas de partículas, a radiação Cherenkov também será emitida. (COLABORAÇÃO ASPERA / ASTROPARTICLE ERANET)
A outra opção seria capturar essas partículas de raios cósmicos antes que chegassem à Terra; você precisaria ir ao espaço para vê-los. Mas mesmo que você fizesse isso, você estaria limitado pela sensibilidade do seu detector e pela quantidade de energia que poderia ser depositada diretamente nele. Indo para o espaço também vem com um tremendo custo de lançamento; o telescópio de raios gama Fermi, que detecta fótons individuais de alta energia em vez de raios cósmicos diretamente, custou aproximadamente US$ 690 milhões, mais que o dobro do custo projetado de todo o Čerenkov Telescope Array.
Em vez disso, ao capturar as partículas e fótons que resultam de um raio cósmico que atinge a atmosfera em mais de 100 locais em todo o mundo, podemos entender a origem e as propriedades dessas partículas ultra-relativistas, bem como as fontes astrofísicas que as criam. . Tudo isso é possível porque entendemos a física das partículas que se movem mais rápido que a luz em um meio especial: a atmosfera da Terra. As leis de Einstein podem ser inquebráveis, mas o truque de desacelerar a luz nos permite detectar algo muito inteligente que não poderíamos medir de outra forma!
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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