Pequenas partículas do espaço passam pela Terra o tempo todo, mesmo que não possamos vê-las, ouvi-las, senti-las, saboreá-las ou cheirá-las.
Muitas dessas partículas estão associadas aos raios cósmicos, partículas extremamente energéticas que podem vir de estrelas explodidas e outros eventos violentos muito além do nosso sistema solar. Quando os raios cósmicos atingem átomos no alto da atmosfera da Terra, eles criam chuvas de partículas secundárias. Entre eles estão os múons, que podem viajar pela atmosfera e até penetrar no subsolo.
O professor de física Spencer Axani, da Universidade de Delaware, desenvolveu um dispositivo chamado relógio cósmico Isso torna muito fácil detectar essas partículas invisíveis. A tecnologia agora está sendo usada por todos, desde estudantes do ensino médio até pesquisadores profissionais.
Detector de US$ 100 para partículas cósmicas invisíveis
CosmicWatch tem aproximadamente o tamanho de uma caixa de Animal Crackers. Feito de componentes eletrônicos que custam cerca de US$ 100, o detector pisca e registra contagens sempre que um múon passa por ele. As informações são armazenadas para que os usuários possam baixar e analisar os dados posteriormente.
Este dispositivo foi inicialmente criado como uma forma barata de apresentar aos alunos a física de partículas. No entanto, desde então, o CosmicWatch também ganhou um papel na pesquisa astrofísica internacional.
“Os detectores CosmicWatch nos permitem fazer muito mais física a custos drasticamente mais baixos, de uma forma compacta e portátil”, disse Axani, “abrindo a porta para muitos novos tipos de experimentos e oportunidades de divulgação”.
O que as luas podem nos dizer sobre o universo
Os cientistas estudam os múons porque eles podem fornecer pistas sobre alguns dos eventos mais poderosos do universo, incluindo supernovas, explosões de raios gama e blazares. Ao medir os múons, os pesquisadores podem estimar as propriedades do raio cósmico original, incluindo sua energia, massa e direção.
O fluxo de múons também desempenhou um papel importante na história da física. No início da década de 1940, as medições destas partículas forneceram a primeira confirmação experimental da teoria da relatividade especial de Einstein.
Os múons também são úteis para estudar objetos na Terra. As partículas podem viajar através de materiais sólidos como paredes, rochas ou seres humanos sem causar qualquer dano. Como deixam um rastro de energia detectável, os cientistas podem usá-los para obter imagens das estruturas escondidas atrás de grandes quantidades de matéria. Em 2016, a tecnologia de múons Um corredor desconhecido descoberto na Grande Pirâmide de Gizé.
O desafio é que os detectores de múons tradicionais costumam ser pesados e caros. Isto limita as experiências que os investigadores podem realizar e o número de escolas que podem proporcionar aos alunos acesso prático à tecnologia.
“Um típico curso de graduação em laboratório de física usa um rack de eletrônicos do tamanho de uma pequena estante para medir múons”, disse Axani.
Como o CosmicWatch começou?
Axani criou o CosmicWatch pela primeira vez em 2017, quando era estudante de graduação no MIT. O objetivo original era construir um detector de múons compacto e com baixo consumo de energia para uso no Observatório IceCube, na Antártica.
IceCube é um detector gigante enterrado sob o gelo que procura neutrinos, outro tipo de partícula subatômica. O detector de múons é útil porque ajuda os pesquisadores a distinguir os múons dos neutrinos que estão tentando identificar.
À medida que o projeto se desenvolvia, Exani percebeu que a mesma tecnologia poderia se tornar portátil e acessível para uso educacional. CosmicWatch então evoluiu para uma ferramenta de divulgação para o ensino de física de partículas.
Depois de ingressar no corpo docente da UD em 2022, Axani continuou a refinar o design. Eles lançaram recentemente a terceira edição do CosmicWatch. As melhorias são descritas em um artigo de Jornal de Instrumentação O novo detector foi introduzido em outubro, permitindo monitorar o ambiente ao seu redor, tolerar níveis de radiação mais elevados e coletar dados mais rapidamente.
“Mesmo tendo estudado os raios cósmicos, não apreciei totalmente a rica física por trás do trabalho destes detectores para realmente ‘ver’ o mundo e a produção de partículas atmosféricas”, disse Masooma Sarfaraz, estudante de doutoramento no laboratório de Axani e autor principal do artigo da revista. “Para um estudante como eu, que está trabalhando em ideias teóricas, esta foi uma oportunidade perfeita para entrar no lado experimental. Também se conecta perfeitamente ao meu atual trabalho de pesquisa mais amplo com física de partículas.”
Da pesquisa da matéria escura ao voo espacial
O design mais recente do CosmicWatch é adequado para calibrar detectores de grande escala. Atualmente está sendo usado no experimento NewDOT na UD e no Detector de Matéria Escura Coherent Captain-Mills (CCM) em Los Alamos, Novo México.
Os pesquisadores também estão desenvolvendo outra versão que pode medir os raios cósmicos primários em foguetes e espaçonaves.
Apesar do seu papel crescente na investigação, a educação continua a ser uma parte importante do CosmicWatch. Na UD, Axani usa o detector para ensinar partículas, nuclear e astrofísica. Os próprios alunos montam os dispositivos, ganhando experiência com eletrônica de alta velocidade antes de usar seus detectores finalizados em seus experimentos projetados.
Musaret Shams, estudante de doutorado no programa de Ciência e Engenharia Quântica, modificou seu próprio CosmicWatch adicionando sensores de temperatura e pressão. Seu objetivo era estudar os raios cósmicos na alta atmosfera da Terra.
Em maio, o detector viajou a bordo de um balão de 30 mil metros de altura, perto da borda do espaço. Depois de examinar as medições, Shams conseguiu mostrar como o fluxo de raios cósmicos do espaço muda à medida que a altitude aumenta.
“É ótimo poder criar algo em poucos dias no laboratório que seja capaz de detectar essas partículas frias a centenas de anos-luz de distância”, disse ele.
Dando aos alunos um gostinho da física de partículas real
CosmicWatch também está sendo usado fora da Universidade de Delaware. Ann S. Professora de Física na Universidade Cornell A professora associada de Bowers, Natasha Holmes, pede aos alunos de seus cursos introdutórios de física que construam detectores e façam experiências com eles.
Trabalhar diretamente com a tecnologia proporciona aos alunos uma experiência mais próxima da física experimental profissional, disse ele.
“Os estudantes parecem muito entusiasmados por fazer este trabalho, que é exatamente o que os físicos de partículas e os físicos experimentais fazem”, disse ele. “Eles aprendem um pouco de codificação com ele e, às vezes, quebram o dispositivo, e então temos que conversar com eles sobre como tomar cuidado com seu equipamento. É muito diferente de um laboratório de física normal. Dizemos aos alunos que eles estão fazendo ‘ciência de verdade’ depois de usá-lo.”
Uma possível rede global de detectores de raios cósmicos
Axani estima que milhares de detectores CosmicWatch foram construídos desde o lançamento da primeira versão, há oito anos. Ele espera que o número possa eventualmente se tornar muito maior através de um esforço mundial de “ciência cidadã”.
Segundo essa ideia, pessoas em diferentes partes do mundo poderiam medir as taxas locais de múons e enviar suas observações on-line para um local central. Juntas, essas medições podem criar uma imagem mais abrangente da atividade das partículas em todo o planeta.
Axani também está desenvolvendo um sistema de detecção relacionado que poderia ajudar constelações de satélites a responder de forma mais inteligente às mudanças em seu ambiente. Esta tecnologia poderia permitir que os satélites se comunicassem entre si sobre as condições do espaço. Por exemplo, se for detectada uma explosão solar, o sistema pode alertar os satélites próximos para que possam desligar a energia, se necessário.
O que começou como um projeto educacional barato agora se expandiu para muitas áreas da física avançada que Axani não esperava originalmente.
“Embora tenha começado como um programa educacional, encontrou aplicações em muitas áreas diferentes da física”, disse Axani. “É ótimo.”
