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Físicos mobilizam-se para entender raios cósmicos


Além de se beneficiar com a atualização do Observatório Pierre Auger, países da região são candidatos a sediar o maior observatório de radiação gama do mundo[Imagem: Steven Saffi]

Astrofísica de Partículas

A comunidade de pesquisa em astrofísica de partículas na América do Sul receberá importantes reforços de infraestrutura para a realização de experimentos nessa área interdisciplinar, voltada ao estudo dos raios cósmicos de ultra-alta energia - as partículas subatômicas mais energéticas conhecidas na atualidade, de origem ainda incerta.

O maior observatório de raios cósmicos do mundo, o Observatório Pierre Auger - instalado na província de Mendoza, na Argentina, e com importante participação do Brasil - vai passar por um programa de atualização até 2018.

Já em 2015 também será feita a escolha do país-sede, no hemisfério Sul, do Cherenkov Telescope Array (CTA) - que deverá ser o maior observatório do mundo dedicado ao estudo de corpos celestes que emitem radiação gama, de mais alta energia.

Além disso, está sendo discutida a construção do Túnel Água Negra (Agua Negra Deep-Underground Experiments Site - Andes) - o primeiro laboratório subterrâneo da América Latina, projetado para ser construído anexo a um túnel rodoviário que será escavado na fronteira andina entre Argentina e Chile, para realização de experimentos em diversas áreas, incluindo a Astrofísica de Partículas.


O Brasil ajudará a construir o CTA, um observatório com 100 telescópios. [Imagem: CTA]

Origem dos raios cósmicos

"O momento é propício para tentarmos criar um plano de investimentos e de pesquisa, levando em conta questões científicas importantes que podemos responder com a construção desses projetos", comenta o professor Luiz Vitor de Souza Filho, do Instituto de Física da USP de São Carlos (IFSC).

Entre as questões científicas apontadas pelo pesquisador estão a origem dos raios cósmicos de ultra-alta energia e o tipo de partículas subatômicas que chegam à Terra com energias macroscópicas da ordem de 1018 elétron-volts (eV) - um bilhão de bilhões eV.

O Observatório Pierre Auger permitiu observar nos últimos 10 anos dezenas de raios cósmicos acima de 1020 eV e foi muito bem-sucedido nesse propósito, mas ainda não permitiu identificar totalmente as fontes desses raios cósmicos de energia ultra-alta.

"Medimos várias propriedades dos raios cósmicos, mas ainda não conseguimos localizar a fonte ou fontes deles. E não sabemos exatamente se as partículas que chegam à Terra são puramente prótons ou núcleos atômicos mais pesados, ou ainda uma mistura deles", afirmou Luiz Vitor.


Os raios cósmicos ultraenergéticos são detectados por tanques de água especiais, conhecidos como detectores de Cherenkov. [Imagem: ASPERA/G.Toma/A.Saftoiu]

Chuveiro atmosférico

De acordo com pesquisadores da área, um dos desafios para identificar a fonte e a composição dessas partículas - os raios cósmicos não são realmente raios, mas partículas - vindas do espaço é que elas são medidas de forma indireta.

Quando uma partícula cósmica ultraenergética atinge a atmosfera terrestre, ela colide com um núcleo atômico do ar, produzindo novas partículas que, por sua vez, também colidem e interagem, em um efeito multiplicativo em cascata, formando um chuveiro atmosférico extenso, constituído de um bilhão de partículas ou mais.

O Observatório Auger estuda os raios cósmicos ultraenergéticos que chegam até a Terra medindo esses chuveiros atmosféricos extensos produzidos por eles na atmosfera. A expectativa é que o programa de atualização pelo qual o Observatório Auger deve passar permita responder a essas questões ao melhorar consideravelmente a resolução dos detectores de partículas do observatório.

Cada uma das várias propostas de atualização que estão sendo analisadas envolve uma técnica diferente para a identificação de múons - partículas subatômicas ultraenergéticas presentes nos chuveiros atmosféricos - e requer combinações diferentes de novos produtos eletrônicos, novos detectores e modificações internas nos 1,6 mil detectores do observatório.

Espalhados por uma área de 3 mil km2, em uma região plana ao lado dos Andes, os detectores são tanques de polietileno com 12 mil litros de água purificada e instrumentalizados com sensores fotomultiplicadores. Quando as partículas de um chuveiro atmosférico atravessam a água no interior do tanque é emitida luz que pode ser medida nos sensores.

As propostas de atualização do observatório preveem a adição de novos detectores de múons nos chuveiros identificados. Mas antes de instalar esses novos sensores, a um custo estimado de US$ 15 milhões, é necessário avaliar se eles realmente funcionam, o que está sendo feito em protótipos em escala de laboratório.


Primeiro protótipo de um dos telescópios do futuro CTA, que deverá ser o maior observatório astronômico dedicado ao estudo de emissão de raios gama. [Imagem: Elisabete de Gouveia Dal Pino (IAG-USP)]

Observatório de raios gama

No início de 2015 também será escolhido o país-sede no hemisfério Sul do CTA - consórcio internacional formado por 28 países, entre eles o Brasil - que pretende construir, até 2020, o maior observatório astronômico do mundo dedicado ao estudo de objetos astrofísicos que emitem raios gama.

O observatório contará com cerca de 100 telescópios que serão instalados em dois lugares distintos, um no hemisfério Sul e outro no Norte.

No hemisfério Sul, os países candidatos a sediar o observatório são o Chile e a Argentina, na América Latina, e a Namíbia, na África.

Segundo Luiz Vitor, a ideia inicial é construir um conjunto de sete telescópios - que formarão um arranjo embrionário do observatório, denominado CTA Mini- Array - em torno do qual o restante do observatório será posteriormente construído. Dos sete primeiros telescópios três serão construídos pelo Brasil com financiamento da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP).


A ideia é construir o laboratório anexo a um túnel rodoviário de 14 quilômetros de extensão entre a Argentina e o Chile. [Imagem: Divulgação]

Túnel científico

A outra iniciativa de pesquisa em astrofísica de partículas na América do Sul é a construção do laboratório subterrâneo profundo Andes.

A ideia é construir o laboratório anexo a um túnel rodoviário de 14 quilômetros de extensão que Argentina e Chile pretendem escavar sob a Cordilheira dos Andes, para facilitar o acesso dos países da América do Sul ao Oceano Pacífico.

O projeto do laboratório subterrâneo prevê a instalação de diversos equipamentos para estudos em diferentes áreas, como de um grande detector capaz de identificar neutrinos de baixa energia e geoneutrinos - neutrinos produzidos pela decomposição de produtos radioativos na Terra, como potássio, urânio e tório, que se estima tenham grande relevância no balanço de calor da Terra.

O túnel seria o lugar propício para a medição dessas partículas, e poderia ajudar a lançar novas luzes sobre os hipotéticos neutrinos superluminais, que poderiam superar a velocidade da luz.

"O Andes possibilitaria a realização de experimentos, em diferentes áreas, que necessitam de baixo nível de radiação, como medições de matéria escura e de neutrino," explicou Luiz Vitor.

Até o momento, apenas Argentina, Brasil, México e Chile têm-se empenhado no projeto, que busca a adesão de outros países para sua viabilização.

FONTE: SITE INOVAÇÃO TECNOLOGICA

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