Jornal da Unicamp,  Campinas, 11 de março de 2016 a 20 de março
de 2016 – ANO 2016 – Nº 649

O coletor de partículas invisíveis

Telescópio do IFGW
investiga os efeitos secundários de raios cósmicos que chegam à Terra

Carlos Orsi

No subsolo do Instituto
de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Unicamp, quatro pirâmides metálicas –
dispostas como um par de ampulhetas, ocupando todo pé-direito da sala, onde se
encontram também bancadas e computadores – coletam múons, partículas invisíveis
geradas por raios cósmicos e que passam através das lajes de concreto do prédio
e dos corpos humanos sem se fazer notar. “Em um metro quadrado, a cada segundo,
passam mais ou menos 140 múons”, explica o pesquisador Anderson Fauth,
responsável pelas “ampulhetas” que formam o telescópio Muonca [acrônimo para
Múons em Campinas].

“Os múons são partículas
instáveis, produzidas na atmosfera da Terra pela colisão de raios cósmicos”,
disse Fauth. “Esses raios, por sua vez, são núcleos de átomos, a maioria deles
são prótons”. Raios cósmicos podem chegar à atmosfera da Terra vindos de
diferentes fontes, e de diversos pontos do espaço.

“Há um espectro de
energia dos raios cósmicos”, explicou o pesquisador. “Existem raios cósmicos
tanto de energias relativamente baixas a até energias que estão entre as mais
altas já estudadas, de uma magnitude que não se encontra nem mesmo em
aceleradores de partículas”. O Muonca estuda os efeitos secundários de raios
cósmicos que chegam à Terra com energias altas demais para serem pesquisados por
satélites no espaço.

Múons são partículas de
carga elétrica negativa (ou positiva), igual à do elétron (ou pósitron), mas com
massa cerca de 200 vezes maior. Os que chegam à superfície terrestre são
produzidos a partir da interação entre raios cósmicos e núcleos de átomos dos
gases da atmosfera, como o nitrogênio e o oxigênio. “Durante a interação de um
próton vindo do espaço com um núcleo, o núcleo se rompe e produz partículas
secundárias instáveis, que são os mésons. Alguns mésons decaem em múons, que
depois vão decair em elétrons e neutrinos”, descreveu Fauth.

“Os múons têm a
caraterística de ser penetrantes, fazem uma trajetória praticamente retilínea”,
disse ele. “Eles não sentem a força nuclear forte presente no núcleo dos átomos
que encontram pelo caminho e, embora tenham carga elétrica, como têm grande
massa e viajam muito rápido, são muito pouco afetados pelas interações
eletromagnéticas”.

Blindagem

O Muonca é o único
observatório de raios cósmicos em funcionamento no Estado de São Paulo. Ele
trabalha em conjunto com um observatório-irmão localizado na Universidade
Federal Fluminense (UFF), e sua montagem, bem como a tomada de dados inicial,
fez parte da dissertação de mestrado de Débora Nunes Barros de Vasconcelos,
“Telescópio de múons para estudo da atividade solar”, orientada por Fauth, que
também orientou o trabalho “Estudo e montagem de um telescópio de múons” de
Henrique Vieira de Souza, que recebeu o prêmio de Mérito Científico no XXII
Congresso de Iniciação  Científica da Unicamp.

Em seu trabalho inicial,
descrito na dissertação de Débora e também em apresentação feita na 34ª
Conferência Internacional de Raios Cósmicos, realizada na Holanda entre julho e
agosto do ano passado, o Muonca foi usado para investigar dois dos chamados
“eventos Forbush”, que ocorrem quando a atividade solar impede que parte dos
raios cósmicos galácticos penetre o campo magnético terrestre. O nome dado ao
fenômeno remete ao físico americano Scott E. Forbush, que estudou raios cósmicos
nas décadas de 30 e 40 do século passado.

Eventos Forbush
acontecem após emissões coronais de massa (CMEs, na sigla em inglês),
ocorrências violentas, em que o Sol dispara “labaredas” para o espaço. Quando as
CMEs são lançadas na direção da Terra, as partículas emitidas interagem com a
atmosfera e o campo magnético do planeta e podem causar problemas para satélites
de comunicação e, mesmo, nas redes de distribuição de energia elétrica. Em março
de 1989, um blecaute que durou por 12 horas na província de Quebec, no Canadá,
foi causado por a uma intensa CME.

“Nessas explosões, o Sol
acelera partículas, prótons e alguns íons leves”, explicou Fauth. “E, se essas
partículas chegam à Terra, podem formar uma espécie de blindagem, uma grande
blindagem magnética, que faz com que outros raios cósmicos, originados de outros
pontos do espaço, sejam bloqueados”.

Esse bloqueio diminui a
produção de múons na atmosfera, que leva a uma queda na contagem de partículas
no telescópio. “O que estudamos, na primeira parte do projeto, são efeitos de
blindagem, os distúrbios no campo magnético da Terra que fazem com que essa
radiação cósmica tenha variações”, disse.

 Variações do fluxo de
múons detectadas pelo Muonca e vinculadas a eventos Forbush, em setembro e
dezembro de 2014, foram comparadas às variações do fluxo de nêutrons – outro
tipo de partícula elementar, nesse caso também vinculada aos raios cósmicos –
captadas na estação americana McMurdo, localizada na Antártida. As leituras do
Muonca e de McMurdo mostraram-se compatíveis, o que foi uma ótima notícia para o
projeto brasileiro.

“Fizemos a comparação
com McMurdo porque lá se trata de um detector muito estável: se alguém viu o
evento, McMurdo viu”, explicou o pesquisador. “E os dados de lá estão
disponíveis na internet”.

Fauth acrescenta que as
CMEs geram efeitos globais, porque são muito maiores que a Terra: “Na hora que
vem a nuvem de partículas, a Terra é pequenininha em comparação, então todos os
detectores vão enxergar o fenômeno”. No entanto, também há efeitos locais,
dependendo da posição do detector na superfície terrestre, e em relação ao campo
magnético do planeta.

“Às vezes, se a emissão
não é exatamente centrada, haverá um equipamento que vai enxergar primeiro. E o
corte geomagnético vai ser diferente, porque cada detector vai ter um corte
próprio. Também há partículas diferentes: para produzir os nêutrons, por
exemplo, precisa-se de uma energia menor que os múons”.  Um retrato mais
completo da CME e de seus efeitos sobre a Terra depende, portanto, da combinação
dos dados de uma diversidade de equipamentos, tanto baseados em pontos diversos
do planeta, como o Muonca e McMurdo, como no espaço, em satélites.

Ciência e indústria

O pesquisador destaca
que o Muonca foi todo montado na Unicamp. “Foi construído totalmente aqui. É a
única experiência de raios cósmicos que foi construída e que toma dados no
Estado de São Paulo, e está aqui, na Unicamp”. Ao chamar a atenção para esse
fato, ele afirma que é preciso integrar melhor a indústria nacional à ciência.

 “Atualmente, você tem a
globalização, então tem os grandes experimentos internacionais, e é necessário
que o Brasil participe deles”, ponderou Fauth. “Porque a Física é uma ciência
experimental: só se avança tomando dados, fazendo medidas, analisando as medidas
e comparando com modelos. É um processo que requer obrigatoriamente dados
fundamentais: se não tem os dados fundamentais, a Física não progride”.

Essa parte experimental,
disse ele, envolve esforços cada vez maiores. “O pesquisador precisa inserir o
seu trabalho dentro de uma colaboração internacional onde vão estar países como
EUA, França, Japão. E a nossa indústria tem que participar disso, e aí é que
está o problema”, declarou. “Se me derem US$ 10 milhões para fazer uma
experiência, vou comprar equipamentos de última geração lá fora, mas isso não
traz desenvolvimento social aqui para o Brasil”.

“Para ter realmente
desenvolvimento social, é preciso ter a conexão entre o desafio científico, de
fazer um experimento inédito, e a indústria, de tal maneira que você financia a
pesquisa e desenvolvimento na indústria para esta construir equipamentos
inexistentes e o cientista fazer a experiência de física pura, que não terá
aplicação de curto prazo, mas você está financiando o desenvolvimento de um
know-how tecnológico para o qual a indústria vai encontrar mercado, seja na
agricultura, no setor espacial, nas telecomunicações, onde for”, apontou.

Didática

Além de coletar dados
sobre raios cósmicos e atividade solar, o Muonca também vem ajudando no ensino
de Física dentro do IFGW.  “Os múons são perfeitos para a atividade didática”,
disse o pesquisador. “Porque você tem condições de fazer medidas de velocidade
para mostrar que são partículas relativísticas”.

Partículas
relativísticas são aquelas que viajam a velocidades altas o suficiente para
sofrer os efeitos previstos por Albert Einstein na Teoria da Relatividade
Especial, como a dilatação do tempo: para essas partículas, o tempo passa mais
devagar do que para um observador parado, ou que esteja se movendo a velocidades
comuns.

“Usamos os detectores do
Muonca e outros equipamentos para medir a vida média desses múons, utilizando um
método de medição relativamente simples. A vida média do múon, depois que é
gerado, é 2,2 microssegundos”, explica. “Eles são produzidos na alta atmosfera,
a 15 km de altitude. Se você faz as contas utilizando a mecânica clássica,
ignorando a relatividade, eles deviam se desintegrar depois de viajar 400
metros, não daria tempo de chegarem aos detectores. Só dá para explicar a
presença deles aqui usando a relatividade especial, então é uma atividade
didática demonstrando que as equações de dilatação do tempo e contração do
espaço têm efeitos reais”.

Publicações

Dissertação: “Telescópio
de múons para estudo da atividade solar”

Autora: Débora Nunes
Barros de Vasconcelos

Orientador: Anderson
Fauth

Tese: “Estudo
e montagem de um telescópio de múons” 

Autor: Henrique
Vieira de Souza

Orientador: Anderson
Fauth

Unidade: Instituto
de Física Gleb Wataghin (IFGW)

Financiamento: Fapesp