Raios Cósmicos: Fundamentos e técnicas de detecção

Carla BonifaziInstituto de Física - UFRJ

X Escola do CBPF - 2015Aula 17/07

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

Mecanismos de Aceleraçãode raios cósmicos

como transferir eficientemente uma quantidade de energia macroscópica – da ordem de 20 J – a

partículas microscópicas

Receita de Aceleração Terrestre

Ingredientes:

Partículas carregadasCampos elétricos e magnéticos

Modo de preparo:

Use campos eletrostáticos ou campos eletromagnéticosAplique a lei da força de Lorentz:

�!F = q(

�!E +�!v ⇥�!

B )

campos eletrostáticos

campos eletromagnéticos

Receita de Aceleração Astrofísica

Ingredientes:

Partículas carregadasCampos elétricos e magnéticos

Modo de preparo:

Aplique a lei da força de Lorentz:�!F = q(

�!E +�!v ⇥�!

B )

•Na natureza, é difícil encontrar potenciais eletrostáticos muito intensos a partir do acúmulo local de carga elétrica.

•Por sorte, campos magnéticos variáveis geram campos elétricos!

Mecanismos de Aceleração de Fermi

•Fora dos túneis dos aceleradores, é preciso um certo grau de aleatoriedade para acelerar!

Mecanismo de 2º ordem, proposto por Fermi 1949

Mecanismos de Aceleração de Fermi

•Fora dos túneis dos aceleradores, é preciso um certo grau de aleatoriedade para acelerar!

•Mecanismo de 2º ordem, proposto por Fermi 1949

•Mecanismo de 1º ordem, desenvolvido posteriormente (~ 1970) por vários astrofísicos

Mecanismos prevêem naturalmente uma lei de potência para o espectro:

Modelo mais aceito para aceleração em fontes astrofísicas

� / E��

Radio de Larmor e Rigidez

O raio de Larmor, ou raio de giro, rL, é o raio da órbita de uma partícula carregada em movimento, perpendicular ao campo magnético perpendicular, obtido a partir de igualar a força de Lorentz com a força centrípeta:

onde p é o momento.

Outra forma de escrever a fórmula é:

Na área de física de raios cósmicos, encontramos frequentemente a referência à rigidez (R) da partícula, definida por:

que tem unidades de volts! Um proton de 10 GeV tem uma rigidez de 10 GV.

qvB =mv2

rL=) rL =

p

ZeB

rL = 33, 36km

✓p

GeV/c

◆✓1

Z

◆✓G

B

◆

R ⌘ rLBc =pc

Ze

Grafico de Hillas (Hillas Plot)

Hillas argumentou que para acelerar raios cósmicos às mais altas energias, o tamanho da região de aceleração deve ser pelo menos duas vezes o tamanho do radio de Larmor.

Emax

= �Ze

✓B

1µG

◆✓R

1kpc

◆EeV

Fontes Galácticas

Remanescentes de supernova (SNR) continuam sendo os candidatos mais prováveis para aceleração de raios cósmicos, pelo menos até energias da ordem de 1014 eV através do mecanismo de choque Fermi.

Estrelas de nêutrons, especialmente pulsares e magnetares jovens com rotação rápida possuem campos magnéticos extremos (até 1012G, no caso dos magnetares) com estrutura complexa que poderiam acelerar raios cósmicos até as mais altas energias. Esses objetos são muito mais raros do que SNRs, no entanto, apenas uma dúzia de magnetares são conhecidos na Via Láctea, embora muitos poderiam existir na vizinhança local.

Microquasares são estrelas binarias de emissão intensa de raios-X que orbitam um buraco negro em acreção. Eles são aceleradores de partículas particularmente interessantes devido às observações de emissão de raios gama de muita alta energia e jatos altamente relativísticos que poderiam providenciar energia para os raios cósmicos de ultra alta energia.

Fontes Extragalácticas

Galáxias de núcleos ativos (AGNs) são radio galáxias com um buraco negro supermassivo no centro e muitas vezes alguma estrutura de jato que pode ser observado ou não. Blazars são uma subclasse de AGN cujos jatos apontam na direção de observação. Blazars muitas vezes têm estrutura temporal altamente variável com erupções em rádio, óptico e gama. Os jatos são altamente relativistas e, especialmente aqueles que apontam para o observador são candidatos ideais para aceleração de partículas.

Surtos de raio gamas (GRB) estão entre os eventos mais violentos conhecidos no Universo e têm sido propostos por Waxman-Bahcall como a única fonte possível de raios cósmicos de ultra alta energia no Universo. Eles são objetos extremamente distantes com desvios para o vermelho (redshifts) que variam de 0,05 para 1.

Modelos exóticos (top-down)

Introduz a existência de uma nova partícula instável ou meta-estável super-massiva. Esta partícula decai produzindo quarks e léptons, os quais vão produzir uma cascata de fótons, neutrinos e léptons leves muito energéticos com uma pequena fração de prótons e neutrons. Ou radiação, interação ou colapso de defeitos topológicos.

Nestes modelos não se necessita de aceleração e os raios cósmicos de ultra alta energia surgem diretamente da cascada de decaimento.

Neste cenário para produzir partículas acima de 50 EeV as seguintes condições devem ser satisfeitas:

- Decaimento tem que acontecer em tempo recente, distâncias < 100 Mpc- Massa da nova partícula >> 100 EeV (teorias GUT ~ 106-107 EeV) - A relação da densidade volumétrica com o tempo de decaimento deve ser

compatível com o fluxo observado.

O experimento Auger colocou limites no fluxo de fótons e neutrinos que permitem que estes modelos sejam geralmente descartados.