Raios Cósmicos: Fundamentos e técnicas de detecção. Carla Bonifazi Instituto de Física - UFRJ

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1 Raios Cósmicos: Fundamentos e técnicas de detecção Carla Bonifazi Instituto de Física - UFRJ Aula 13/07 X Escola do CBPF

2 Conteúdo do Curso Introdução: historia e primeiros detectores Medições diretas e indiretas Chuveiros atmosféricos extensos Mecanismos de aceleração (conceitos básicos) Propagação (conceitos básicos) Raios cósmicos de ultra alta energia Experimentos atuais Detecção e reconstrução Futuro

3 Bibliografia Bruno Rossi, Cosmic Rays, Mc Graw-Hill Michael W. Friedlander, Cosmic Rays, Harvard University Press Yataro Sekido and Harry Elliot, Early History of Cosmic Ray Studies, Reidel Publishing Company Malcolm S. Longair, High Energy Astrophysics, Cambridge University Press William.R.Leo: Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer Todor Stanev, High Energy Cosmic Rays, Springer Thomas K. Gaisser, Cosmic Rays and Particle Physics, Cambrdge University Press Glenn Knoll, Radiation Detection and Measurement, Wiley

4 Conhecimento atual Lei de potência E - Ralf Engel 2013

5 Um pouco de historia Descoberta da radioatividade (Becquerel, Marie e Pierre Curie) 1909 Theodor Wulf publica um artigo: Sobre a origem da radiação gama na atmosfera, Physikalische Zeitschrift, 10 (1909) 997; no qual diz que a radiação vem principalmente do solo, talvez exista uma pequena contribuição da atmosfera 1910 Wulf: Medições na torre Eiffel em Paris não conclusivas 1912 Viktor Franz Hess descobre os raios cósmicos e publica um artigo: Sobre a observação da radiação penetrante durante 7 campanhas de balão, Physikalische Zeitschrift, 14 (1912) 1084, na qual diz que a radiação com alta penetração entra na atmosfera desde acima. Também não observou mudança entre as medidas feitas durante o eclipse solar sem ter sido detectado nada. O Sol foi excluído como possível fonte.

6 Descoberta raios cósmicos Sobre a observação da radiação penetrante durante 7 campanhas de balão, Physikalische Zeitschrift, 14 (1912) 1084 Hidrogenio Altitude Intensidade

7 Descoberta raios cósmicos Sobre a observação da radiação penetrante durante 7 campanhas de balão, Physikalische Zeitschrift, 14 (1912) 1084 Hidrogenio Altitude Intensidade

8 Entendendo os raios cósmicos... Absorção na atmosfera: medições de absorção compatíveis com fluxo de raios cósmicos uniforme (Physikalische Zeitschrift, 48 (1928) 647) Intensidade da radiação penetrante em função da profundidade atmosférica Intensidade Profundidade atmosférica Câmera de ionização

9 Entendendo os raios cósmicos... Levantamento mundial da intensidade da radiação realizado por Compton mostrou que os raios cósmicos são partículas carregadas. (The physical review, 43 (1933) 6) Instrumento utilizado no levantamento é normalmente blindado com chumbo e colocado numa caixa para os voos em aviões.

10 Entendendo os raios cósmicos... Levantamento mundial da intensidade da radiação expedições realizadas por Compton em mais de 100 locais diferentes.

11 Entendendo os raios cósmicos... Levantamento mundial da intensidade da radiação expedições realizadas por Compton em mais de 100 locais diferentes. Raios cósmicos são partículas carregadas

12 Entendendo os raios cósmicos Rossi e outros observam que há uma maior intensidade de raios cósmicos vindo do Oeste. Efeito Este-Oeste de intensidade de raios cósmicos Raios cósmicos são maioritariamente partículas com carga positiva

13 Entendendo os raios cósmicos Descobrimento dos Chuveiros Atmosféricos Extensos por W. Kolhörster e P. Auger utilizando contadores Geiger-Müller em coincidência Primeiro raio cósmico medido indiretamente E ~ ev

14 Descobrimento de novas partículas via o estudo dos raios cósmicos e+ Nascimento da Física de Partículas 6 mm chumbo B = 1,5 T Carl B Anderson, The positive electron, Phys. Rev. 43 (1933)

15 Produção de pares 1933 Eletromagneto de 10 t e uma câmera de nuvens de aproximadamente 30 cm Blackett & Occhialini, 1933

16 Cascata eletromagnética Número de coincidências por hora em função da espessura do chumbo (lead) sobre os contadores de acordo com o que se mostra na figura acima à direita no gráfico. Rossi, Physikalische Zeitschrift, 82 (1933) 151 Cascata eletromagnética fotografada numa câmera de nuvens gerada por um gama ou um elétron. e - e + e - /e +

17 Descoberta do múon e píon 1937 Anderson e Neddermeyer descobriram o múon em uma câmera de nuvens. m µ ~ 200 m e Rossi mediu o tempo de vida média ~ 2 µs µ e Lattes (Powell) descobriram o píon em emulsão nuclear. m ~ 280 m e Rossi mediu o tempo de vida média ~ 2 µs µ +... e

18 Mais alto ainda: balões plásticos 1941 M. Schein descobriu o próton 1948 Brandt e Peters descobriram núcleos pesados Phys. Rev 74 (1948) km com 40 kg de carga Primeira evidencia de um núcleo primário pesado

19 Mais alto ainda: balões plásticos 1941 M. Schein descobriu o próton 1948 Brandt e Peters descobriram núcleos pesados Phys. Rev 74 (1948) km com 40 kg de carga Traços em emulsões fotográficas de núcleos primários de radiação se movimentando a velocidades relativistas

20 Mais alto ainda: foguetes 1948 Medição da taxa de contagem de raios cósmicos com um contador Gaiger desde o nível do mar até 161 km de altura. Phys. Rev 73 (1948)

21 Mais alto ainda: foguetes 1948 Medição da taxa de contagem de raios cósmicos com um contador Gaiger desde o nível do mar até 161 km de altura. Phys. Rev 73 (1948) 1952 Determinação do espectro de ionização de raios cósmicos carregados a = 41º N Phys. Rev 73 (1948)

22 Fluxo de raios cósmicos no topo da atmosfera Van Allen Mediu a radiação ao redor da Terra a uma distância de km com a sonda Explorer I Nature 183 (1959) 430 John Simpson Realizou medidas de precisão da abundância de dos raios cósmicos. Técnica de de/dx vs. E com um detector de estado sólido no espaço. Am. Rev. Nucl. Part. Sci, 33 (1983) recopilação) Composição elemental dos raios cósmicos Composição isotrópica Medição dos raios cósmicos anômalos Partículas e campos na Heliosfera Magneto esfera planetária Modulação solar no exterior da Heliosfera

23 Fluxo de raios cósmicos no topo da atmosfera

24 Medindo chuveiros atmosféricos extensos 1946 Rossi (USA) e Zatsepin (Russia) construíram os primeiros arranjos para a detecção de chuveiros atmosféricos extensos 58 detectores separados por 450 m na Russia Frente do chuveiro se aproximando aos detectores (círculos no plano horizontal)

25 Raios cósmicos de ultra alta energia Volcano Ranch 1963 Primeiro raio cósmico de ultra alta energia é observado de ~ ev!!! Phys. Rev. Lett. 10 (1963)

26 Espectro de raios cósmicos Ralf Engel 2013

27 Espectro de raios cósmicos Ralf Engel 2013 Medição direta Medição indireta

28 Eletroscópio e câmeras de ionização Um dos 3 utilizados por Hess.

29 Contador de ponta Geiger É uma haste de ponta fina em uma caixa de metal cheia de gás. Uma bateria mantém a haste no potencial positivo ( V) em relação à caixa. Quando as partículas carregadas penetram a caixa através de uma janela na frente da haste se produz ionização. Íons e elétrons são acelerados: uma avalanche deles constitui uma breve corrente elétrica: os fios do eletroscópio são portanto repelidos. Desenvolvido por Hans Geiger ~ 1911

30 Contador Geiger-Müller Consiste de um tubo de metal (com vácuo e posteriormente cheio com um gás) com um fio de metal fino esticado ao longo do seu eixo. O mesmo princípio como o contador de ponta, que faz uso do efeito de cascata. Ele tem tempo de resposta rápido: não apenas eventos individuais podem ser identificados, mas também os seus tempos de chegada Desenvolvido por Geiger e seu estudante Müller ~ 1929

31 Contador Geiger-Müller Consiste de um tubo de metal (com vácuo e posteriormente cheio com um gás) com um fio de metal fino esticado ao longo do seu eixo. O mesmo princípio como o contador de ponta, que faz uso do efeito de cascata. Ele tem tempo de resposta rápido: não apenas eventos individuais podem ser identificados, mas também os seus tempos de chegada Amplificador e contador de pulso Fácil de ser construído, mais estável que o contador de ponta, pode ser feito de diferentes tamanhos. Converteu-se em um instrumento crucial para a detecção de raios cósmicos

32 Contador Geiger-Müller Contador Geiger-Müller Contador Proporcional

33 Câmera de nuvens Desenvolvida ao mesmo tempo que o contador de ponta Geiger, ~ A câmera de nuvem Wilson foi o detector de traços mais amplamente usado em raios cósmicos e física nuclear. Quando o êmbolo é puxado para trás rapidamente, o gás e vapor na câmera se expandem. A resultante queda de temperatura é suficiente para a condensação do vapor em torno de quaisquer iões presentes no gás. As câmeras de nuvem foram combinadas com campos magnéticos para desviar as partículas (estudos de carga): Skobeltzyn 1927

34 Câmera de nuvens Para que as partículas podam ser detectadas, elas devem atravessar a câmera de nuvens em algum momento durante a fase de expansão. Se a partícula entra na câmara demasiado cedo, os iões difundir-se antes de que o gás seja esfriado. Se a partícula entra demasiado tarde, o gás vai se aquecer antes de a o traço seja formado. Em muitos experimentos no começo, as câmeras de nuvens eram acionadas aleatoriamente. Era um acidente de sorte quando um raio cósmico passava pela câmera durante o tempo correto de operação do detector. Occhialini começou a trabalhar com Rossi e aplicaram o método de utilizar um telescópio de contadores Geiger-Müller para identificar aos eventos (1933). A câmera de nuvens só era expandida se tinha-se uma coincidência entre os dois detectores do telescópio.

35 Emulsões fotográficas e nucleares As câmeras de nuvem são ferramentas verdadeiramente maravilhosas. Os físicos podem ver as partículas elementares e suas colisões. Mas, devido à baixa densidade dos gases, muito poucas partículas que entram em uma câmera de nuvens colidem com os núcleos ou são paradas. A observação das interações e decaimentos requer uma substância mais densa, por exemplo, emulsões fotográficas e/ou nucleares. Nestas as partículas podem colidir com grande chance e deixar traços visíveis. Quando a luz incide sobre uma emulsão fotográfica, produz alterações submicroscópicas que aparecem após o tratamento químico. Quando as partículas rápidas passar por uma emulsão fotográfica, eles produzem mudanças semelhantes. Emulsões fotográficas foram utilizados em 1930 e 1940, em altitudes de montanha ou na estratosfera em balões.

36 Emulsões fotográficas e nucleares Após seu desenvolvimento, placas fotográficas deve ser olhado através de microscópios. Digitalização era um procedimento trabalhoso (similar à leitura de "O Globo", com uma lente que mostra apenas 3-4 letras de cada vez!!). Mas emulsões comuns são sensíveis apenas para partículas "lentas", que deixam um traço muito denso de íons. Até meados dos anos 40 as emulsões eram muito fina: partículas deve viajar quase perfeitamente paralelos ao plano para deixar um traço razoável. Powell e Occhialini (1945) inventaram a técnica de produção de emulsões espessas por "empilhamento" de várias camadas desenvolvidas separadamente.

37 Depois de 70 anos... CCDs (charge-coupled devices)