Em Agosto de 1912, o físico austríaco Victor Hess fez um voo histórico de balão que abriu uma nova janela sobre a matéria no universo. Ao subir para 5300 metros, mediu a taxa de ionização na atmosfera e descobriu que esta aumentava para cerca de três vezes mais do que ao nível do mar. Concluiu que a radiação penetrante estava a entrar na atmosfera vinda de cima. Ele tinha descoberto raios cósmicos.
Estas partículas de alta energia que chegam do espaço exterior são principalmente (89%) prótons – núcleos de hidrogénio, o elemento mais leve e comum no universo – mas também incluem núcleos de hélio (10%) e núcleos mais pesados (1%), até ao urânio. Quando chegam à Terra, colidem com os núcleos de átomos na atmosfera superior, criando mais partículas, principalmente piões. As cebolas carregadas podem decompor-se rapidamente, emitindo partículas chamadas muões. Ao contrário das cebolas, estas não interagem fortemente com a matéria, e podem viajar através da atmosfera para penetrar debaixo do solo. A taxa de muões que chegam à superfície da Terra é tal que cerca de um por segundo passa por um volume do tamanho da cabeça de uma pessoa.
Um novo mundo de partículas
Estudos de raios cósmicos abriram a porta a um mundo de partículas para além dos limites do átomo: a primeira partícula de antimatéria, o positron (o anti-electrão) foi descoberta em 1932, o muão em 1937, seguido pelo pioneiro, o kaon e vários outros. Até ao advento dos aceleradores de partículas de alta energia no início da década de 1950, esta radiação natural proporcionou a única forma de investigar o “zoo” de partículas em crescimento. De facto, quando o CERN foi fundado em 1954, a sua convenção incluiu os raios cósmicos na lista de interesses científicos. Mas embora os aceleradores tenham vindo a fornecer o melhor terreno de caça para novas partículas, a física dos raios cósmicos é ainda amplamente estudada.
As energias dos raios cósmicos primários variam de cerca de 1 GeV – a energia de um acelerador de partículas relativamente pequeno – até 108 TeV, muito mais elevado do que a energia do feixe do Grande Colisor de Hadrões. O ritmo a que estas partículas chegam ao topo da atmosfera diminui com o aumento da energia, de cerca de 10 000 por metro quadrado por segundo a 1 GeV para menos de um por quilómetro quadrado por século para as partículas de maior energia. Os raios cósmicos de muito alta energia geram enormes chuvas de até 10 mil milhões de partículas secundárias ou mais, que podem ser captadas por detectores de partículas quando estão espalhadas por áreas de até 20 quilómetros quadrados na superfície da Terra.
Aceleradores cósmicos
Apenas como é que os raios cósmicos chegam a energias tão elevadas? Onde estão os aceleradores naturais? Os raios cósmicos de energia mais baixa chegam do Sol num fluxo de partículas carregadas conhecido como vento solar, mas a fixação da origem das partículas de maior energia é dificultada à medida que estas se torcem e giram nos campos magnéticos do espaço interestelar.
P>As pistas vieram através do estudo dos raios gama de alta energia do espaço exterior. Estes são muito menos do que os raios cósmicos carregados, mas sendo electricamente neutros, não são influenciados pelos campos magnéticos. Geram chuvas de partículas secundárias que podem ser detectadas na Terra e que apontam de volta para o ponto de origem dos raios gama. As fontes dos raios gama de energia mais elevados da nossa própria galáxia, a Via Láctea, incluem os restos de supernovas, tais como a famosa Nebulosa do Caranguejo; as ondas de choque destas explosões estelares há muito que são propostas como possíveis aceleradores naturais. Outras fontes de raios gama de energia ultra-alta encontram-se noutras galáxias, onde objectos exóticos, tais como buracos negros supermassivos, podem impulsionar a aceleração. Há também provas de que os raios cósmicos de maior carga energética também têm origens semelhantes em outras galáxias.
Experiências de raios cósmicos no CERN
P>Existiria uma ligação entre os raios cósmicos galácticos e a formação de nuvens? Uma experiência no CERN está a usar a caixa mais limpa do mundo para descobrir.
Ler mais sobre a experiência CLOUD.