Quais são as partículas mais energéticas do Universo?
A produção de uma chuva de raios cósmicos, produzida por uma partícula incrivelmente energética de muito fora do nosso Sistema Solar. Crédito da imagem: Observatório Pierre Auger, via http://apcauger.in2p3.fr/Public/Presentation/ .
Mais de um milhão de vezes o que fazemos no LHC, essas podem ser as chaves finais para a natureza.
Energia é matéria liberada, matéria é energia esperando para acontecer. – Bill Bryson
Você pode pensar nos maiores e mais poderosos aceleradores de partículas do mundo – lugares como SLAC, Fermilab e o Grande Colisor de Hádrons – como a fonte das energias mais altas que veremos. Mas tudo o que já fizemos aqui na Terra tem absolutamente nada no próprio Universo natural! De fato, se você estivesse interessado nas partículas mais energéticas da Terra, olhando para o Grande Colisor de Hádrons – nas colisões de 13 TeV que ocorrem dentro – você nem estaria Fechar às energias mais altas. Claro, essas são as energias mais altas feitas pelo homem para partículas, mas somos constantemente bombardeados o tempo todo por partículas muito, muito maiores em energia das profundezas do próprio espaço: raios cósmicos.
Uma ilustração de um processo de energia muito alta no Universo: uma explosão de raios gama. Crédito da imagem: NASA / D. Berry.
Você não precisava estar no espaço, nem mesmo ter qualquer tipo de voo, para saber que essas partículas existiam. Mesmo antes de os primeiros seres humanos deixarem a superfície da Terra, era amplamente conhecido que lá em cima, acima da proteção da atmosfera da Terra, o espaço sideral estava cheio de radiação de alta energia. Como sabíamos?
As primeiras pistas vieram de um dos experimentos de eletricidade mais simples que você pode fazer na Terra, envolvendo um eletroscópio. Se você nunca ouviu falar de um eletroscópio, é um dispositivo simples: pegue dois pedaços finos de folha de metal condutora, coloque-os em um vácuo sem ar e conecte-os a um condutor do lado de fora que tu pode controlar a carga elétrica de.
A carga elétrica em um eletroscópio, dependendo do que você carrega e como as folhas dentro respondem. Crédito da imagem: Figura 16–8 da página Honors Physics da Boomeria, via http://boomeria.org/physicstextbook/ch16.html .
Se você colocar uma carga elétrica em um desses dispositivos - onde duas folhas de metal condutoras estão conectadas a outro condutor - ambas as folhas ganharão a mesma carga elétrica e repelir um ao outro como resultado. Você esperaria, com o tempo, que a carga se dissipasse no ar ao redor, o que acontece. Então você pode ter a brilhante ideia de isolá-lo o mais completamente possível, talvez criando um vácuo ao redor do eletroscópio depois de carregá-lo.
Mas mesmo se você fizer , o eletroscópio ainda descarrega lentamente! Na verdade, mesmo se você colocasse uma blindagem de chumbo ao redor do vácuo, ele ainda descarregaria, e experimentos no início do século 20 nos deram uma pista do porquê: se você fosse para altitudes cada vez mais altas, a descarga acontecia mais rapidamente. Alguns cientistas levantaram a hipótese de que a descarga estava acontecendo porque a radiação de alta energia – radiação com poder de penetração extremamente grande e origem extraterrestre – foi responsável por isso.
Victor Hess em seu experimento de raios cósmicos em balão. Crédito da imagem: American Physical Society.
Bem, você conhece o negócio quando se trata de ciência: se você quiser confirmar ou refutar sua nova ideia, teste-a! Assim, em 1912, Victor Hess conduziram experimentos em balões para procurar essas partículas cósmicas de alta energia, descobrindo-as imediatamente em grande abundância e daí em diante tornando-se o pai dos raios cósmicos .
Os primeiros detectores eram notáveis em sua simplicidade: você monta algum tipo de emulsão (ou mais tarde, uma câmara de nuvens) que é sensível a partículas carregadas que passam por ela e coloca um campo magnético em torno dela. Quando uma partícula carregada entra, você pode aprender duas coisas extremamente importantes:
- A razão carga-massa da partícula e
- sua velocidade,
simplesmente depende de como a trilha da partícula se curva, algo que é uma oferta inoperante, desde que você conheça a força do campo magnético aplicado.
Crédito da imagem: Paul Kunze, em Z. Phys. 83 (1933), do primeiro evento muon em 1932.
Na década de 1930, uma série de experimentos – tanto nos primeiros aceleradores de partículas terrestres quanto por meio de detectores de raios cósmicos mais sofisticados – trouxeram algumas informações interessantes. Para começar, a grande maioria das partículas de raios cósmicos (cerca de 90%) eram prótons, que vinham em uma ampla gama de energias, de alguns mega-elétron-Volts (MeV) até o mais alto que podiam ser medidos. por qualquer equipamento conhecido! A grande maioria do resto deles eram partículas alfa, ou núcleos de hélio com dois prótons e dois nêutrons, com energias comparáveis aos prótons.
Uma ilustração de raios cósmicos atingindo a atmosfera da Terra. Crédito da imagem: Simon Swordy (U. Chicago), NASA.
Quando esses raios cósmicos atingem o topo da atmosfera da Terra, eles interagem com ela, produzindo reações em cascata onde os produtos de cada nova interação levam a interações subsequentes com novas partículas atmosféricas. O resultado final foi a criação do que é chamado de chuva de partículas de alta energia, incluindo duas novas: o pósitron - hipotetizado em 1930 por Dirac, a contraparte de antimatéria do elétron com a mesma massa, mas com carga positiva - e o múon, uma partícula instável com a mesma carga que o elétron, mas cerca de 206 vezes mais pesada! O pósitron foi descoberto por Carl Anderson em 1932 e o múon por ele e seu aluno Seth Neddermeyer em 1936, mas o primeiro evento do múon foi descoberto por Paul Kunze alguns anos antes, o que a história parece ter esquecido !
Uma das coisas mais surpreendentes é que mesmo aqui na superfície da Terra, se você estender sua mão para que fique paralela ao solo, cerca de um múon passa por ela a cada segundo.
Crédito da imagem: Konrad Bernlöhr do Instituto Max Planck de Física Nuclear.
Cada múon que passa pela sua mão se origina de uma chuva de raios cósmicos, e cada um que o faz é uma defesa da teoria da relatividade especial ! Você vê, esses múons são criados a uma altitude típica de cerca de 100 km, mas a vida média de um múon é de apenas 2,2 micro segundos! Mesmo se movendo na velocidade da luz (299.792,458 km/s), um múon viajaria apenas cerca de 660 metros antes de decair. Ainda por causa dilatação do tempo – ou o fato de que partículas que se movem perto da velocidade da luz experimentam o tempo passando a uma taxa mais lenta do ponto de vista de um observador externo estacionário – esses múons em movimento rápido podem viajar até a superfície da Terra antes eles se decompõem, e é aí que os múons na Terra se originam !
Avançando para os dias atuais, verificamos que medimos com precisão a abundância e o espectro de energia dessas partículas cósmicas!
O espectro de raios cósmicos. Crédito da imagem: Hillas 2006, pré-impressão arXiv:astro-ph/0607109 v2, via University of Hamburg.
Partículas com cerca de 100 GeV de energia ou menos são de longe as mais comuns, com cerca de uma partícula de 100 GeV (que é 10¹¹ eV) atingindo cada seção transversal de metro quadrado de nossa região local do espaço a cada segundo. Embora as partículas de energia mais alta ainda estejam lá, elas são muito menos frequentes quando olhamos para energias cada vez mais altas.
Por exemplo, quando você atinge 10.000.000 GeV (ou 10¹⁶ eV), você está recebendo apenas um por metro quadrado a cada ano, e para o Altíssima os de energia, os de 5 × 10¹⁰ GeV (ou 5 × 10¹⁹ eV), você precisaria construir um detector quadrado que medisse cerca de 10 km de lado apenas para detectar 1 partícula dessa energia por ano!
Como detectar uma chuva de raios cósmicos: construa uma matriz gigante no chão para – para citar Pokémon – pegá-los todos. Crédito da imagem: ASPERA / G.Toma / A.Saftoiu.
Parece uma ideia maluca, não é? Está pedindo um enorme investimento de recursos para detectar essas partículas incrivelmente raras. E, no entanto, há uma razão extraordinariamente convincente para querermos fazê-lo: deve haver um corte nas energias dos raios cósmicos , e um limite de velocidade para prótons no universo ! Veja, pode não haver um limite para as energias que podemos dar aos prótons no Universo: você pode acelerar partículas carregadas usando campos magnéticos, e os maiores e mais ativos buracos negros do Universo poderiam dar origem a prótons com energias ainda maiores do que os que observamos!
Mas eles precisam viajar pelo Universo para nos alcançar, e o Universo – mesmo no vazio do espaço profundo – não está completamente vazio. Em vez disso, está cheio de grandes quantidades de radiação fria e de baixa energia: o fundo cósmico de micro-ondas!
Uma ilustração do fundo de radiação em vários redshifts no Universo. Créditos da imagem: Terra: NASA/BlueEarth; Via Láctea: ESO/S. Brunier; CMB: NASA/WMAP.
Os únicos lugares onde o Altíssima as partículas de energia são criadas ao redor dos buracos negros mais massivos e ativos do Universo, todos muito além de nossa própria galáxia. E se partículas com energias superiores a 5 × 10¹⁰ GeV são criadas, elas podem viajar apenas alguns milhões de anos-luz – máximo – antes que um desses fótons, remanescentes do Big Bang, interaja com ele e faça com que ele produza um píon, irradiando o excesso de energia e caindo até esse limite teórico de energia cósmica, conhecido como Corte GZK . Há ainda mais radiação de frenagem – ou radiação de Bremsstrahlung – que surge de interações com quaisquer partículas no meio interestelar/intergaláctico. Mesmo partículas de energia mais baixa estão sujeitas a ela e irradiam energia em massa à medida que pares de elétron/pósitron (e outras partículas) são produzidos. (Mais detalhes aqui .)
Então fizemos a única coisa razoável para os físicos fazerem: construímos um detector ridiculamente grande e parecido, e vimos se esse corte existia!
O maior detector de raios cósmicos do mundo. Crédito da imagem: Observatório Pierre Auger em Malargüe, Argentina / Case Western Reserve U.
O Observatório Pierre Auger fez exatamente isso, verificando que os raios cósmicos existem até mas não acabou este limiar incrivelmente alto de energia, um fator literal de cerca de 10.000.000 maior do que as energias alcançadas no LHC! Isto significa o o mais rápido prótons que já vimos evidências no Universo estão se movendo quase na velocidade da luz, que é exatamente 299.792.458 m/s, mas apenas um minúsculo pouco mais lento. Quanto mais lento?
Os prótons mais rápidos - aqueles apenas no corte GZK - movem-se a 299.792.457,9999999999999918 metros por segundo , ou se você correu um fóton e um desses prótons para o galáxia de andrômeda e de volta, o fóton chegaria um mísero seis segundos mais cedo do que o próton… depois de uma jornada de mais de cinco milhões de anos ! Mas esses raios cósmicos de energia ultra-alta não vêm de Andrômeda (acreditamos); eles vêm de galáxias ativas com buracos negros supermassivos como NGC 1275 , que tendem a estar centenas de milhões ou mesmo bilhões de anos-luz de distância.
Galáxia NGC 1275, fotografada pelo Hubble. Crédito da imagem: NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI/AURA).
Até sabemos - graças a Interstellar Boundary Explorer da NASA (IBEX) – que existem cerca de 10 vezes mais raios cósmicos no espaço profundo do que detectamos aqui na Terra, já que a heliosfera do Sol nos protege da grande maioria deles! (Embora o Sol faça o pior trabalho ao nos proteger das partículas mais energéticas.) Em teoria, existem colisões ocorrendo em todos os lugares do espaço entre esses raios cósmicos e, portanto, em um sentido muito real da palavra, o próprio Universo é nosso último Grande Colisor de Hádrons: até dez milhões de vezes mais energético do que podemos realizar aqui na Terra. E quando finalmente atingirmos os limites do que um experimento de colisor pode realizar na Terra, ele voltará às mesmas técnicas que usamos nos primeiros dias de experimentos de raios cósmicos.
Vista exterior da ISS com o AMS-02 visível em primeiro plano. Crédito da imagem: NASA.
Estará de volta ao espaço, para esperar e ver o que o Universo nos entrega e para detectar as consequências das colisões cósmicas mais energéticas de todas.
Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !
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