|Observando raios cósmicos através da construção de uma câmara de nuvens| #1 O que são raios cósmicos? (V.2, N.11, P.4, 2019)

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Divulgadora da Ciência: Raissa Correa

O que são raios cósmicos?

Ao contrário do que se possa pensar, para fora da atmosfera terrestre – no Espaço – não há um vazio absoluto. Nosso planeta sofre constantemente uma espécie de bombardeio de partículas de dimensões subatômicas que atravessam grandes distâncias e que, apesar de seu pequeno tamanho, carregam consigo uma enorme quantidade de energia. Este conjunto de partículas, viajando à alta velocidade (próxima à velocidade da luz), é diagnosticado cientificamente como raios cósmicos.

Os raios cósmicos são compostos por prótons, elétrons e núcleos livres. Prótons e elétrons são subpartículas eletricamente carregadas – os prótons possuem carga +1 e os elétrons, carga -1. Os prótons localizam-se dentro do núcleo dos átomos, enquanto os elétrons orbitam em torno do mesmo, ambos se atraindo por conta de suas diferenças de carga. Como são partículas que fazem parte da estrutura dos átomos, podem ser encontradas em toda parte, na matéria comum que nos cerca. O que as torna tão importantes e diferenciadas dentro do contexto da radiação cósmica é justamente a velocidade com a qual viajam e a quantidade de energia com que elas chegam à Terra.

Imagem disponível em http://astro.if.ufrgs.br/esol/esol.htm

No entanto, não estamos completamente desprotegidos. Nosso planeta está envolvido por uma camada protetora natural contra a radiação interestelar: um campo geomagnético (uma visão esquemática deste campo pode ser vista na figura acima). Como uma espécie de
escudo, este campo é formado na Terra principalmente por conta da atividade do fluido em seu interior, composto principalmente por Ferro (um material de alta condutividade elétrica) e das correntes elétricas que se formam nele.

Como um dos conceitos fundamentais na Física, temos que uma partícula carregada desvia sua trajetória ao passar por um campo magnético. Assim, o campo magnético natural da Terra – que a envolve por completo -, é capaz de desviar a trajetória de uma grande fração de partículas que, em outras circunstâncias, nos atingiriam. No entanto, partículas com grandes quantidades de energia conseguem penetrar esta barreira e chegar à atmosfera. Ao atingir a atmosfera, os raios cósmicos (chamados de primários) se chocam com as moléculas e átomos ali presentes em suspensão, numa violenta colisão. Esta colisão inicial gera uma série de outras partículas (chamadas de secundários) que se propagam e também colidem com outras partículas na atmosfera, criando um efeito em cascata e dando origem aos chamados chuveiros atmosféricos. Um exemplo esquemático de como estes eventos ocorrem pode ser visto na figura abaixo. Nestas interações são criadas outras partículas menos conhecidas como píons, múons e neutrinos. Primeiramente, surgem os píons, tanto com carga positiva e negativa, como também neutros, a partir da “evaporação” dos núcleos. Em seguida, os píons também desaparecem (seu tempo de vida é da escala de apenas 10-8 segundos para os píons carregados e 10-16 segundos para os píons neutros!), dando lugar aos múons e aos neutrinos. Daremos, aqui, um maior destaque aos múons e suas propriedades.

Imagem disponível em http://en.wikipedia.org/wiki/File:AirShower.svg

Múons são partículas muito parecidas com os elétrons, tratando-se de seu comportamento: são suscetíveis à ação da Força  Eletromagnética e indiferentes à Força Forte (força que mantém o núcleo dos átomos coeso). No entanto, sua dimensão é cerca de 207 vezes maior que a do elétron, e seu tempo de vida é cerca de cem vezes mais longo do que o de um píon carregado; devido à estas características, o múon apresenta alto poder de penetração na matéria em geral, sendo capaz de chegar ao subsolo e passar inclusive por placas de chumbo.

Todas estas partículas são subatômicas, ou seja, seu tamanho é menor do que o de um átomo. Por isso, seria inviável esperar observá-las chegando ao solo por meio de efeitos diretos. Em outras palavras, a radiação cósmica é invisível à olho nu, o que torna necessário utilizar as propriedades físico-químicas das partículas de alta energia que a compõe, de modo a observar os efeitos de sua passagem num ambiente controlado.

Imagem destacada: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration, CXC/SAO/JPL-Caltech/Steward/O. Krause et al., and NRAO/AUI  [link]

Referências

Maria C. B. Abdalla, O Discreto Charme das Partículas Elementares, 1ª edição (2006), página 76

Roberto Lanza, Antônio Meloni, The Earth’s magnetism: an introduction for geologists, Springer, (2006), páginas 1 e 49.

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