Dona Fifi aos 19 anos.

Apostilas eletrônicas de Dona Fifi
OS RAIOS CÓSMICOS

Os primeiros detetores de radiação cósmica


Os instrumentos usados no início do século 20 que resultaram na descoberta dos raios cósmicos eram primitivos mas foram de grande valia. Com o avanço da pesquisa, novos detetores mais sensíveis e convenientes foram aparecendo. Os que vou descrever com brevidade a seguir hoje praticamente só têm interesse histórico. Os detetores dos grandes aceleradores e mesmo os que são usados agora pelos físicos de raios cósmicos são enormes, sofisticados e caros. Se você está interessado em saber como eles funcionam siga a carreira de pesquisador e boa sorte.

O eletrômetro:
Esse instrumento mede, grosseiramente, a carga elétrica entre dois fios, ou fibras, metálicas que se repelem quando eletricamente carregados. A separação entre eles, vista por uma luneta, dá uma medida da carga que eles possuem.
Se uma partícula carregada passar por perto das fibras, elas se descarregam parcialmente e sua separação diminui. Contando o número desses eventos por minuto, têm-se uma estimativa da intensidade de radiação ionizante na região do aparelho. Foi assim que Theodor Wulf, na Torre Eiffel, e depois Victor Hess, em seus balões, observaram o aumento da radiação com a altitude.

O contador Geiger-Müller:
Consiste em um tubo contendo um gás rarefeito e um fio metálico que passa pelo eixo do tubo e que está ligado a uma alta voltagem positiva. Uma partícula carregada passando pelo tubo ioniza os átomos do gás produzindo elétrons que logo são captados pelo fio positivo. Essa carga dá origem a um "pulso" de corrente que pode ser medido. Se o fio for ligado a um alto-falante cada pulso dá origem a um estalido característico desse tipo de contador.

A câmara de nuvens de Wilson:
A câmara de nuvens inventada por Charles Wilson em 1911 é um cilindro contendo ar saturado de vapor de água. Normalmente, não há "nuvens" na câmara e o ar úmido dentro dela é transparente. Quando um êmbolo que está ligado à câmara é deslocado rapidamente a pressão do ar cai, o ar se resfria e torna-se "supersaturado". Essa é uma situação de "equilíbrio instável": o vapor de água presente no ar da câmara fica "prenhe", louco para se condensar em água líquida. Se, nesse estágio, uma partícula carregada passar pela câmara, irá arrancando elétrons dos átomos no caminho (ionizando-os). Os íons que se formam no caminho da partícula rompem o equilíbrio instável e gotas de vapor de água se formam, produzindo uma trilha que, se for bem iluminada, pode ser vista e fotografada com facilidade.
Em geral, a câmara é colocada na presença de um campo magnético que encurva a trajetória de partículas carregadas. Medindo essa curvatura, os pesquisadores calculam a velocidade da partícula. Nessa fotografia, o traço quase reto corresponde, necessariamente, a uma partícula cósmica de alta energia, pois quase não é desviada pelo campo magnético. No caminho, essa partícula se choca com um átomo da câmara e arranca um elétron, cuja trilha é bastante encurvada pelo campo.

Partículas neutras não deixam rastros na câmara de nuvens. Mesmo assim, sua presença pode ser evidenciada quando uma, duas ou mais trilhas parecem surgir do nada na fotografia. Nessa figura, duas trilhas são visíveis, encurvando-se em direções opostas na presença de um campo magnético perpendicular ao plano da foto. Elas correspondem a duas partículas de cargas opostas geradas na colisão de uma partícula neutra, invisível, com um átomo do gás da câmara. Foi assim que Anderson observou, pela primeira vez, o pósitron, ou anti-elétron, como contei na apostila anterior.

Emulsões fotográficas:
Uma "emulsão fotográfica" usada pelos físicos não passa de uma folha de filme parecido com as "chapas de raios-X" que mostram pernas quebradas. Lembre que chapas fotográficas tiveram um papel fundamental na descoberta da radiação. Foi assim com Roentgen, quando descobriu os raios-X, e com Becquerel, na descoberta da radioatividade. Essa foto ao lado mostra o filme de Becquerel "queimado" pelos "raios" que emanavam de uma fonte radioativa.

Um filme fotográfico é uma superfície de plástico ou vidro coberta com uma fina camada de um sal de prata, a "emulsão". Antigamente, o sal usado era o brometo de prata; hoje não sei qual é. Vou perguntar a meu filho Maurício, que é fotógrafo, e depois digo para vocês.
Quando o filme é exposto à luz, ocorre uma reação química e a prata da emulsão é liberado do sal. Onde isso ocorre, aparece um ponto escuro. Quanto mais prata metálica é liberada, mais escuro. Isso resulta em um "negativo", coisa que todos já viram, eu acho, mesmo nessa era de fotografia digital.

Quando uma partícula de alta velocidade passa por uma "emulsão", escurece o filme, como vimos acima na fotografia feita por Becquerel. No estudo dos raios cósmicos, a maior parte das partículas atravessa o filme e deixa apenas um ponto preto. Mas, de vez em quando, uma delas passa ao longo do plano do filme e deixa um rastro bem visível. Se a partícula se chocar com o núcleo de um átomo do filme, pode produzir uma "estrela" de várias partículas que se espalham, como vemos na chapa ao lado. Se a partícula original estiver viajando no plano do filme, todas as partículas da "estrela" também estarão, por conservação do momento linear.

As emulsões fotográficas foram a técnica preferida dos pesquisadores de raios cósmicos depois da segunda guerra. Com o uso delas, várias partículas antes desconhecidas foram descobertas, como veremos a seguir.


3 - A descoberta de novas partículas.

4 - Os "chuveiros" de partículas.

5 - Lattes e o méson-pi.

6 - O mistério dos raios cósmicos de altas energias.