ACELERADORES DE PARTÍCULAS COM FONTES NATURAIS

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Física de Partículas 
com Fontes Naturais
(ou sem aceleradores artificiais)
Sofia Andringa
LIP – Lisboa
CERN, Set. 2007
Física de Partículas 
com Fontes Naturais
* Mais surpresas! 
A maior parte das descobertas da Física veio da Natureza,
o estudo detalhado foi depois feito em laboratório e aceleradores!
* Mais baratas, maiores e mais intensas! 
O Sol é um potente reactor nuclear, 
um choque de galáxias é um grande acelerador!
* Grandes descobertas recentes na Física de Partículas!
­ Oscilação de Neutrinos, e a Massa dos Neutrinos
* Ligação a outras áreas da física: novas astronomias!
­ Raios Cósmicos de Energia Extrema
O Sol: reactor nuclear
O principal processo que ocorre no Sol
é a fusão de protões em 4He:
p+p+p+p ­­> He (2p+2n) 
   + 2 e + 2 + E(22.7 MeV)! 
O Sol está em equilibrio, E é emitida em luz.
Luminosidade do Sol=3.8 x1026 W 
­­> 2 x1038 neutrinos/s! (E ~ MeV)
Nota: Os neutrinos saem do Sol quase imediatamente,
a luz leva milhões de anos a sair...
γ ν
Detecção na Terra
γ ν
39 m
42 m
Super­Kamiokande: 50 kton de H2O
numa mina a 1km de profundidade no Japão
γ ν
BARCO!
ÁGUA
DETECTORES DE LUZ
Reparação do Super­Kamiokande 
39 m
42 m
Detecção na Terra
Super­Kamiokande: 50 kton de H2O
numa mina a 1km de profundidade no Japão
γ ν
Efeito de Cherenkov
cone de 
Cherenkov
A velocidade da luz só é máxima no vácuo.
A luz é travada nos materiais como a água (ou até o ar)!
partícula carregada
cria um campo que
vai ficando para trás
e se acumula numa 
direcção dependente
de v/c' 
Nota: 
Os neutrinos 
não têm carga 
electrica, o que 
vemos são 
os electrões... 
Ver o Sol em neutrinos
ν
electrão 
(da água)
[ v > c'] 
Anel de Cherenkov
dá direcção, e energia
do electrão (e do !)
Ver o Sol em neutrinos
electrão 
(da água)
[ v > c'] 
Anel de Cherenkov
dá direcção, e energia
do electrão (e do !)
ν
Vemos o Sol em neutrinos!
Mas só com ~30% da 
intensidade esperada...
Neutrinos
Não têm carga eléctrica, nem côr,  quase não têm massa, mas têm familia 
(ou sabor).
Perto dos reactores nucleares produzem electrões,
perto dos feixes de protões/piões, produzem muões.
Mas a propagação depende da massa, não do sabor!
νe
νµ
ντ
νe
νµ
ντ
Fase:   ­i(E.t – p(m).x)
Oscilação de neutrinos
Produção no Sol 
com electrões,
detecção na Terra 
com electrões: 
são neutrinos do electrão
nos dois lados!
P ~ sin2θ.sin(1.27∆m2 L/E)
H2O ­­­> D2O (detector SNO)

l
(n+p)
p
p

(n+p)
p
n

W
Z
Não temos
energia para 
criar muões ou 
taus!
e: 511 keV
:106 MeV
: 1.8 GeV
   CC/NC=1/3
   NC ~ Sol
CC: só neutrinos do electrão
NC: todos os tipos de neutrinos
Confirmação!
Nota: A oscilação foi também confirmada com reactores nucleares, 
que produzem anti­neutrinos do electrão (fissão e não fusão como no Sol)!
Modelo do
Sol confirmado
e pode ser 
melhorado!
1/3 e + 2/3 (+)
Neutrinos Atmosféricos
pi
µ
e
ν
µ
ν
µ
ν
e
Nota: and  foram descobertos nos Raios Cósmicos, 
     antes de serem produzidos em laboratório (da mesma forma)!
Energia é mais elevada ~1 GeV
(podemos detectar muões,
mas ainda não os taus...)
Neutrinos produzidos na atmosfera, em todas as direcções (cima = baixo) 
      e com rácio de 2 :1e
p p
Electrão
Muão
(em falta em 
relação à
previsão...)
Aneis de Electrões e Muões no SK
Nota: A análise é 
estatística, não olhamos
para cada acontecimento
(só para exemplificar)
Outra oscilação
Neutrinos produzidos na atmosfera,  em todas as direcções (cima = baixo) 
     com rácio de 2 :1e
de baixo
de cima
Os neutrinos oscilam, conforme 
a energia e a distância percorrida!
P ~ sin2θ.sin(1.27∆m2 L/E)
Nota: Também confirmado com 
aceleradores e L/E conhecido!
Nota: Falta­nos ver os taus?
sem oscilação
com oscilação
Outra Escala: IceCube
Detector Gigante! 1 km3 de gelo 
transparente:
efeito de Cherenkov... 
Nota: Escala dá mais
estatística mas também
permite medir energias mais altas.
Outra Escala: KM3net
Projecto semelhante 
(mas mais atrasado) 
no Hemisfério Norte,
1km3 no Mediterrâneo.
Mais complicado de instalar,
menos estável, e mais 
bio­luminescência!
É também um detector 
de vida submarina,  bom sitio
para oceanógrafos, biólogos, etc 
Escalas: espectro de raios cósmicos
Fluxo
(m2.
sr. s.
GeV)­1
Energia(eV)
1 partícula/m2/s
1 partícula/m2/ano
1 partícula/km2/ano
1 partícula/km2/século!
­­> fluxo: 30 ordens de grandeza
­­> energia: 10 ordens de grandeza
­­> o que são 1020 eV?? 16 J!
a energia cinética de um 
segundo serviço de ténis
(m~0.2 kg; v~43 km/h~12 m/s;
E = 1/2 m.v2= 16 J)
Energia macroscópica 
numa
partícula microscópica!
Escalas: espectro de raios cósmicos
Fluxo
(m2.
sr. s.
GeV)­1
Energia(eV)
1 partícula/m2/s
1 partícula/m2/ano
1 partícula/km2/ano
1 partícula/km2/século!
­­> o que são 1020 eV?? 
O maior acelerador do mundo!
(mas menor luminosidade!! 
e o feixe menos controlado!)
Nota: O raio cósmico tem 
muita energia mas colide
com um núcleo parado. 
No centro de massa a energia
é muito menor...
HERA ­p
RHIC p­p
TeVatron p­p
LHC p­p
LHC C­C
Escalas: espectro de raios cósmicos
Fluxo
(m2.
sr. s.
GeV)­1
Energia(eV)
1 partícula/m2/s
1 partícula/m2/ano
1 partícula/km2/ano
1 partícula/km2/século !
B
A
L
Õ
E
S
E estes??
Como se
detectam?
E>1014 eV:
Cascatas
Atmosféricas 
Extensas
interacção nuclear de alta energia + 
km para multiplicar partículas ­­­> 
1 hadrão: 100 muões: 10000 e­/e+/
milhões de partículas espalhados por km2
N
e
max  E
X
max
  lnE
Detecção de raios cósmicos 
Detecção de raios cósmicos 
A atmosfera é um bom calorimetro!
Os raios cósmicos produzem 
milhões de partículas que
emitem Cherenkov e rádio,
excitam as moléculas de N2 
(produzindo luz de fluorescência) 
e algumas chegam ao chão! 
“Observatório” também para Física de Partículas: E ~ 1­100 LHCs
Com luminosidade razoável: 1/século/km2  ~30/ano/Auger
Detector composto:
 ­ grande superfície
 ­ medida (quase­)
   directa da energia
  
 ­ também para 
   estudar as 
   interacções
O Observatório Pierre Auger 
“Observatório” também para Física de Partículas: E ~ 1­100 LHCs
Com luminosidade razoável: 1/século/km2  ~30/ano/Auger
O Observatório
Pierre Auger no
Google Earth:
todos os edificios
e todos e cada um
dos tanques...
O IceCube é maior do
que a Torre Eiffel;
Auger é maior que Paris!
O Observatório Pierre Auger 
1600 tanques de água pura (~1ton)
espaçados de 1.5 km ­ 10 m2 cada
instalados até ao fim de 2007 
  3000 km2
  na Pampa
  Argentina
O detector de superfície 
1600 tanques de água pura (~1ton)
espaçados de 1.5 km ­ 10 m2 cada
instalados até ao fim de 2007 
  3000 km2
  na Pampa
  Argentina
O detector de superfície 
2. Energia proporcional 
ao número de partículas
Os dados de superfície  
1. Reconstruir a direcção (T)
4 “olhos”, 6 telescópios em cada um,
com 440 pixeis cada uma
... a olhar em frente (atmosfera) 
... com monitores metereológicos
O detector de fluorescência 
A atmosfera é parte do detector,
tanto como o telescópio.
A metereolgia de Malargüe é
a mais bem conhecida do mundo.
... temperatura, pressão, humidade, poluição, 
todas estão medidas em função da altitude e
do tempo
Inverno / Verão @ Malargue
O detector de fluorescência ­ 2 
Nota: Só há dados de fluorescência 
em 10% do tempo: 
noites sem lua nem nuvens...
É mais preciso, mas menos eficiente.
1. imagem no telescópio ­­> 
plano que contêm a partícula
2. tempo da imagem ­­> 
distância e direcção 
3. intensidade­­> evolução na 
atmosfera e energia total!
Os dados de fluorescência  
ToRo
o
Cascata com v~c e luz com v~c,
e um pouco de trigonometria ­­> 
(T­To).c = Ro.tg ­o  
2
. imagem no telescópio ­­> 
plano que contêm a partícula
2. tempo da imagem ­­> 
distância e direcção 
3. intensidade ­­> evolução na 
atmosfera e energia total!
Pixeis hexagonais e tempos de 100 ns
permitem reconstruir também a imagem 
no espaço e encontrar a estrutura da
cascata! 
Os dados de fluorescência  
Acontecimento completo em Auger  
1º acontecimento 
visto por 4 olhos!
21 de Maio de 2007
Raios cósmicos e astrofísica
De onde vêm? O que são? Como são produzidos e acelerados?
Como se propagam, na matéria, nos campos magnéticos, etc? 
    O que podemos aprender com eles?
Propagação de raios cósmicos 
p
 (2.7K)
= 
p

CMB
   
~ 6 Mpc  para E~1020eV
não se conhecem fontes a estas distâncias!
protons
p N
 
Energia na fonte
Distancia (Mpc)
Propagação de raios cósmicos 
Os raios cósmicos de baixa energia parecem vir de todo o lado
porque são deflectidos pelo campo magnético galáctico! 
Energias mais altas permitem encontrar as direcções originais e as fontes!
Fontes de raios cósmicos 
E
max
=ZBL
Pulsar SNR
AGN
GRB
Radio Galaxy Lobe
?
?
?
Física de Partículas 
com Fontes Naturais 
* O Sol e os Raios Cósmicos serviram recentemente para 
mostrar que os neutrinos oscilam e têm massa!
Conhecendo as oscilações podemos melhorar modelos do Sol,
começar a medir actividade da Terra, encontrar outras aplicações...
* Os raios cósmicos de energia extrema permitirão encontrar novos
canais de astronomia e perceber melhor os mecanismos da vida das 
estrelas e galáxias. 
E dão­nos energias mais elevadas que a dos aceleradores artificiais.
Física de Partículas 
com Fontes Naturais
links interessantes (a acrescentar no futuro):
http://icecube.wisc.edu ­ fotos do Pólo Sul, instalação...
http://antares.in2p3.fr ­ fotos dos submarinos, instalação...
http://www.auger.org ­ Google Earth, Acontecimentos Reais...
http://www.lip.pt ­ as várias experiências, os nossos contactos e 
O Telescópio de Raios Cósmicos
(um pequeno/grande Auger)
na 6th Workshop on New Worlds in  Astroparticle Physics (Faro, Set.2007)
foi apresentado o primeiro Raio Cósmico 
visto simultaneamente em duas escolas de Lisboa!