Raios Cósmicos: Fundamentos e técnicas de detecção

Carla BonifaziInstituto de Física - UFRJ

X Escola do CBPF - 2015Aula 13/07

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

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

Conhecimento atual

Ral

f Eng

el 2

013

Lei de potência E-

Um pouco de historia...1896 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 atmosfera1910 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 penetrantedurante 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.

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

AltitudeIntensidade

Hidrogenio

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

AltitudeIntensidade

Hidrogenio

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

Inte

nsid

ade

Profundidade atmosférica

Câmera de ionização

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.

Entendendo os raios cósmicos ...Levantamento mundial da intensidade da radiação 1931-34 12 expedições realizadas por Compton em mais de 100 locais diferentes.

Entendendo os raios cósmicos ...Levantamento mundial da intensidade da radiação 1931-34 12 expedições realizadas por Compton em mais de 100 locais diferentes.

Raios cósmicos são partículas carregadas

Entendendo os raios cósmicos ...1937 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

Entendendo os raios cósmicos ...1938 Descobrimento dos Chuveiros Atmosféricos Extensos por W. Kolhörster e P. Auger utilizando contadores Geiger-Müller em coincidência

Primeiro raio cósmico medido indiretamente E ~ 1015 eV

Descobrimento de novas partículas via o estudo dos raios cósmicos

Carl B Anderson, “The positive electron”, Phys. Rev. 43 (1933)

Nascimento da Física de Partículase+

6 mm chumbo

B = 1,5 T

Produção de pares

Blackett & Occhialini, 1933

1933 Eletromagneto de 10 t e uma câmera de nuvens de aproximadamente 30 cm

Cascata eletromagnética

Rossi, Physikalische Zeitschrift, 82 (1933) 151

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.

Cascata eletromagnética fotografada numa câmera de nuvens gerada por um gama ou um elétron. ⟶ e-e+

e-/e+ ⟶

Descoberta do múon e píon

1937 Anderson e Neddermeyer descobriram o múon em uma câmera de nuvens. mµ ~ 200 me-

1939 Rossi mediu o tempo de vida média ~ 2 µs µ ⟶ e- + ...

1947 Lattes (Powell) descobriram o píon em emulsão nuclear. m ~ 280 me-

1939 Rossi mediu o tempo de vida média ~ 2 µs

⟶ µ + ... ⟶ e- + ...

Mais alto ainda: balões plásticos

27 km com 40 kg de carga

1941 M. Schein descobriu o próton

1948 Brandt e Peters descobriram núcleos pesados Phys. Rev 74 (1948) 213

Primeira evidencia de um núcleo primário pesado

Mais alto ainda: balões plásticos

27 km com 40 kg de carga

1941 M. Schein descobriu o próton

1948 Brandt e Peters descobriram núcleos pesados Phys. Rev 74 (1948) 213

Traços em emulsões fotográficas de núcleos primários de radiação se movimentando a velocidades relativistas

Mais alto ainda: foguetes1948 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)

Mais alto ainda: foguetes1948 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 NPhys. Rev 73 (1948)

Van Allen Mediu a radiação ao redor da Terra a uma distância de 107400 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) 326 - recopilação)

Composição elemental dos raios cósmicosComposição isotrópica

Medição dos raios cósmicos anômalos Partículas e campos na Heliosfera

Magneto esfera planetáriaModulação solar no exterior da Heliosfera

Fluxo de raios cósmicosno topo da atmosfera

Fluxo de raios cósmicosno topo da atmosfera

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)

Raios cósmicos de ultra alta energia

Volcano Ranch

1963 Primeiro raio cósmico de ultra alta energia é observado de ~ 1020 eV !!! Phys. Rev. Lett. 10 (1963)

Espectro de raios cósmicos

Ral

f Eng

el 2

013

Espectro de raios cósmicos

Ral

f Eng

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Med

ição

dir

eta

Medição indireta

Eletroscópio e câmeras de ionização

http://airandspace.si.edu/collections/artifact.cfm?object=nasm_A19910023000

Um dos 3 utilizados por Hess.

Contador de ponta GeigerÉ uma haste de ponta fina em uma caixa de metal cheia de gás. Uma bateria mantém a haste no potencial positivo (1000-1500 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

Contador Geiger-MüllerConsiste 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

Contador Geiger-MüllerConsiste 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

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

Amplificador e contador de pulso

Contador Geiger-Müller

Contador Geiger-Müller

Contador Proporcional

Câmera de nuvensDesenvolvida ao mesmo tempo que o contador de ponta Geiger, ~ 1911. 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

Câmera de nuvensPara 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.

Emulsões fotográficas e nuclearesAs 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.

Emulsões fotográficas e nuclearesApós 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.

Depois de 70 anos...

CCDs (charge-coupled devices)