Detecção e análise física de raios cósmicos através de câmaras de nuvens - Coelho, Isabella Marchi [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024)
A detecção de partículas é essencial para desvendar os mistérios do universo e compreender as interações fundamentais entre os elementos que permeiam o cosmos. Ao longo da história da física de partículas, diversos métodos foram desenvolvidos para detectar e analisar essas partículas. Desde os pioneiros modelos criados no início do século XX, como as câmaras de Wilson, até os sofisticados detectores utilizados nos dias atuais, como o Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN, a busca por compreender a natureza das partículas tem sido incessante. A metodologia empregada neste estudo para a detecção de partículas como os raios cósmicos baseia-se no uso de câmaras de nuvens de Wilson e difusão. O primeiro método, desenvolvido pelo físico escocês Charles Wilson, é uma técnica clássica para visualizar as trajetórias das partículas ionizantes. A câmara consiste em um recipiente hermeticamente fechado preenchido com um gás inerte, geralmente vapor de álcool, que é supersaturado através de uma rápida descompressão. Isso cria condições ideais para que as partículas ionizantes deixem um rastro visível ao interagirem com o gás, formando pequenas nuvens de condensação ao longo de suas trajetórias. No caso específico deste estudo, o sistema é projetado para operar com álcool como meio de detecção. A descompressão rápida da câmara é realizada permitindo que o álcool atinja o estado supersaturado; este processo é fundamental para garantir que as partículas cósmicas ionizantes, ao atravessarem a câmara, interajam com o álcool e formem características trilhas visíveis. A câmara de difusão compartilha dos mesmos objetivos, no entanto, opera com o nitrogênio líquido e diferença de temperatura para que o estado supersaturado seja obtido. Para complementar a detecção, um campo magnético é aplicado perpendicularmente ao plano da câmara. O campo faz com que as trajetórias das partículas carregadas se curvem, permitindo diferenciar entre diferentes tipos de partículas com base na sua relação carga/massa. Esta técnica é especialmente útil para identificar prótons, múons e partículas alfa, que possuem diferentes razões carga/massa e, portanto, curvam de maneiras distintas sob a influência do campo magnético. Após a coleta dos dados, obtidos da gravação do experimento, pode-se analisar e registrar as trilhas deixadas pelas partículas, permitindo a identificação e caracterização das partículas detectadas. Desta forma, a metodologia adotada oferece uma abordagem robusta para a detecção e análise de partículas provenientes de raios cósmicos, contribuindo para o melhor entendimento da física de partículas.

Particle detection is essential for unravelling the mysteries of the universe and understanding the fundamental interactions among the particles that permeate the cosmos. Throughout the history of particle physics, various methods have been developed to detect and analyse these particles. From the pioneering models created in the early 20th century, such as Wilson's cloud chambers, to the sophisticated detectors used today, such as the Large Hadron Collider (LHC) at CERN, the quest to comprehend the nature of particles has been relentless. The methodology employed in this study for detecting particles such as cosmic rays is based on the use of Wilson's cloud chamber and the diffusion cloud chamber. The first method, developed by Scottish physicist Charles Wilson, is a classical technique for visualising the trajectories of ionising particles. The chamber consists of a hermetically sealed container filled with an inert gas, usually alcohol vapour supersaturated through rapid decompression. This creates ideal conditions for ionising particles to leave a visible trail as they interact with the gas, forming small condensation clouds along their trajectories. In the specific case of this study, the system is designed to operate with alcohol as the detection medium. The rapid decompression of the chamber allows the alcohol to reach a supersaturated state; this process is essential to ensure that ionising cosmic particles, upon traversing the chamber, interact with the alcohol and form characteristic visible trails. The diffusion chamber shares the same objectives; however, it operates with liquid nitrogen and temperature differences to achieve the supersaturated state. A magnetic field is applied perpendicular to the chamber's plane to complement the detection. The field causes the trajectories of charged particles to curve, allowing differentiation between different types of particles based on their charge-to-mass ratio. This technique is particularly useful for identifying protons, muons, and alpha particles, which have different charge-to-mass ratios and thus curve in distinct ways under the influence of the magnetic field. After data collection, obtained from the experiment recording, the trails left by the particles can be analysed and recorded, enabling the identification and characterization of the detected particles. Thus, the adopted methodology offers a robust approach to the detection and analysis of particles originating from cosmic rays, contributing to a better understanding of particle physics.
Detection and physical analysis of cosmic rays through cloud chambers
Keywords: Raios cósmicos; Física de partículas; Câmara de nuvens; Cosmic rays; Cloud chamber; Particle detection