Alta energia, Alta velocidade, Espaço, Meio ambiente, Partículas subatômicas

Raios cósmicos: o que são?

Os raios cósmicos são conjuntos de partículas de alta energia que chegam na atmosfera da Terra todos os dias, com velocidades próximas a da luz.

A descoberta

Os raios cósmicos foram descobertos em 1912, pelo físico austríaco Victor Hess. Ele subiu em um balão a 5300 metros de altitude, mediu a taxa de ionização do ar nesta altitude e descobriu que a taxa de ionização era 3 vezes maior do que no nível do mar. Descobrindo que a radiação vinha do espaço. Muitas partículas foram descobertas observando os raios cósmicos, como por exemplo, o pósitron (a antimatéria do elétron), o múon, o píon e o káon.

Composição dos raios cósmicos

89% dos raios cósmicos são prótons. Também são compostos de núcleos de hélio ou partículas alfa, elétrons e núcleos de elementos mais pesados. Os dois últimos constituem aproximadamente 1% da radiação cósmica. As energias destas partículas variam por volta de 1 GeV (Giga elétron-volt) até maior que 1\cdot 10^{20} (1 seguido de 20 zeros) elétron-volts.

taxa e energia dos raios cósmicos
Este gráfico energia (E_{kin}) x fluxo (E^{2}dN/dE) mostra que as partículas mais energéticas que chegam na Terra são as mais raras. As cores e formas indicam os laboratórios, os experimentos e as equipes que mediram as partículas. Fonte: (Siegel, 2018).

As origens

As partículas menos energéticas vêm do Sol, originárias das erupções solares e ejeções de massa coronal. As partículas mais energéticas vêm de supernovas, buracos negros supermassivos no centro de galáxias, pulsares e quasares. É muito mais fácil descobrir a origem dos nêutrons e raios gama (fótons de muito alta energia) do que a origem das partículas carregadas. Pois estas são desviadas por campos magnéticos no caminho.

O chuveiro de partículas

Os raios cósmicos produzem bilhões de partículas subatômicas na alta atmosfera, produzindo uma reação em cadeia. Quando um próton que vem do espaço colide com um átomo, são produzidos prótons, nêutrons e partículas subatômicas chamadas píons e káons.

chuveiro de raios cósmicos
As partículas que vêm do espaço são chamadas de raios cósmicos primários (Primary Cosmic Rays). E as partículas produzidas pelas colisões são os raios cósmicos secundários. Heavy nucleus=núcleo pesado. Fonte: (Toro, 2014).

Os píons e os káons podem ser eletricamente neutros (\pi^{0} e K^{0} respectivamente) ou terem carga positiva ou negativa (\pi^{+},\pi^{-},K^{+} e K^{-}). Estas partículas têm uma vida-média muito curta, duram uma fração de um bilionésimo de segundo. Quando um píon carregado decai, são produzidos um múon de mesma carga elétrica e um neutrino (\nu).

\pi^{+}\rightarrow \mu^{+}+\nu

\pi^{-}\rightarrow \mu^{-}+\nu

98,8% dos decaimentos de um píon neutro (\pi ^{0}) produzem 2 fótons de raios gama. 1,2% dos decaimentos geram um elétron, um pósitron e um fóton.

\pi ^{0}\rightarrow 2\gamma

\pi ^{0}\rightarrow e^{-}+e^{+}+\gamma

Os káons possuem várias reações diferentes e decaem em píons, múons, neutrinos e pósitrons. Os múons também são instáveis.

\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+\nu+\bar{\nu}

\mu ^{+}\rightarrow e^{+}+\nu+\bar{\nu}

Onde \bar{\nu} é o antineutrino, a antimatéria do neutrino.

raios cósmicos na câmara de nuvens
Rastros de raios cósmicos secundários em uma câmara de nuvens. Esta foto foi tirada por mim, durante a minha visita ao CERN.

Os raios cósmicos também geram vários isótopos, como por exemplo, o carbono 14.

Raios cósmicos e as viagens espaciais

A atmosfera da Terra e o seu campo magnético bloqueiam a maior parte da radiação cósmica nociva, mas não há estas proteções no espaço. O que torna a radiação cósmica um dos grandes obstáculos às viagens espaciais. Pois são partículas ionizantes, que podem danificar as moléculas de DNA, arrancando os elétrons e criando íons. Exposição prolongada pode causar câncer.

Também podem causar danos aos aparelhos eletrônicos, invertendo bits em circuitos digitais. Campos elétricos e magnéticos suficientemente fortes podem desviar as partículas carregadas. Materiais como hidrogênio líquido, água ou polietileno com alto teor de hidrogênio podem proteger contra partículas de menor energia. Porém, partículas mais energéticas podem gerar radiação secundária a partir do material de proteção.

radiações e suas proteções
As radiações e suas proteções, a partícula beta é um elétron. Paper=papel, Lead=chumbo. Fonte: Tempo.

Alguns cientistas acreditam que os raios cósmicos podem ter contribuído para o surgimento da vida na Terra.

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