Grupo Astro-Partículas
|
A pesquisa do Grupo cobre três área principais: - Astrofísica de Raios-Gama
A Física de Astro-partículas emprega densas redes de detetores de partículas e telescópios Cherenkov atmosféricos para medir raios-gama e raios-cósmicos produzidos em fontes astrofísicas Galácticas e extra-Galácticas. O grupo contribui ainda no desenvolvimento de hardware e simulações para os experimentos Cherenkov Telescope Array (CTA) e Souther Wide Field Gamma-ray Observatory (SWGO), ambos líderes entre a próxima geração de observatórios de astro-partículas. A pesquisa é feita em estreita colaboração com outros grupos do CBPF, dentre os quais, os Laboratórios de Instrumentação Eletrônica e de Tecnologia Mecânica, e o Centro de Computação de Alto Desempenho. A pesquisa em raios-cósmicos é feita no contexto do Observatório Pierre Auger. A pesquisa em astrofísica de raios-gama desenvolvida pelo grupo está associada ao Major Atmospheric Gamma-Imaging Cherenkov (MAGIC) Telescope, na Ilha Canária de La Palma. |
|
ÁREAS DE PESQUISA
Física de raios-cósmicos
A física de raios-cósmicos ocupa-se da questão fundamental da origem deste fluxo isotrópico de partículas carregadas de altas energias que chegam à Terra, sua aceleração nas fontes astrofísicas, e sua propagação na Galáxia. Esta é uma área de pesquisa na interface entre a física de partículas e a astrofísica, sendo relevante para o estudo de tópicos de fronteira da física fundamental, tais como entender a natureza da matéria escura.
Os raios-cósmicos são os principais mensageiros do universo não-térmico. O fluxo de raios-cósmicos que chega à Terra é principalmente formado por prótons ou núcleos atômicos mais pesados, mas também tem uma parcela significativa de elétrons e anti-matéria (tanto pósitrons quanto anti-prótons). Os sítios e fontes astrofísica aceleradoras dos raios-cósmicos são melhor estudadas com o uso de observações astronômicas em raios-gama de altíssima energia já que a radiação eletromagnética (fótons), diferentemente do que ocorre com as partículas carregadas dos raios-cósmicos, não é defletida pelo campo magnético da Galáxia ou inter-galáctico. Os neutrinos astrofísicos são um outro mensageiro importante na identificação das regiões de origem dos raios-cósmicos, porém são consideravelmente mais difíceis de se detectar que os raios-gama.
A aceleração de raios-cósmicos é um fenômeno universal e extremamente energético, produzindo partículas com energias tão grandes que podem superar em quase 1 bilhão de vezes aquelas alcançadas no LHC do CERN, o maior acelerador de partículas do mundo, em Genebra, na Suíça. Tanto a radiação gama quanto os neutrinos são produzidos por estas partículas ultra-energéticas nas suas fontes de origem, como consequência de seu processo de aceleração e interação com a matéria e os campos magnéticos ali presentes. Estes fenômenos estão portanto intimamente ligados, e seu estudo conjunto constitui o que chamamos hoje de Astrofísica com Multi-Mensageiros, uma das mais ativas e importantes áreas da astrofísica moderna. A energia que acelera os raios-cósmicos provém, me geral, de events astrofísicos extremos, tais como o colapso de estrelas, a energia rotacional de estrelas de nêutrons (os chamados pulsares), bem como da acresção de matéria por buracos negros. O estudo dos raios-cósmicos é fundamental portanto na investigação da energética destes processos.
Astrofísica de raios-gama
No ano de 2019 foram comemorados os 30 anos da detecção da primeira fonte de raios-gama de alta energia, que inaugurou a esta que é última e mais energética janela observacional do cosmos. Hoje, os telescópios MAGIC, instalados na Ilha Canária de La Palma, a cerca de 2500 m de altitude, são um dos principais observatórios astronômicos do mundo, operando desde 2004, e produzindo alguns dos resultados mais importantes da área. Além disso, novos instrumentos estão sendo desenvolvidos, e consistirão a futura geração de observatórios de raios-gama. Dentre os chamados telescópios Cherenkov, o CTA está em fase avançada de desenvolvimento, com o primeiro telescópio já operacional lado a lado com os telescópios do MAGIC, em La Palma. O novo observatório deve entrar em operação por volta de 2025. O CBPF está envolvido diretamente na construção dos chamados telescópios de grande porte (LST, em inglês), que serão os maiores telescópios do CTA, tendo contribuído para o sistema de óptica ativa do instrumento, além de simulações de computador. O CTA será um observatório global com dois sítios, um no Hemisfério Norte e outro no Hemisfério Sul, tendo portanto acesso a todo o céu.
Neste sentido, um segundo observatório no Hemisfério Sul — o Southern Wide-Field Gamma-ray Observatory, SWGO — está sendo planejado como complemento ao CTA, extendendo sua capacidade de observação para energias mais altas e com o potencial de fazer varreduras constantes do céu e buscar por fontes transientes de raios-gama. O SWGO também será complementar ao CTA no sentido de que ele pode observar tanto de dia quanto de noite, enquanto que o CTA, que usa a luz Cherenkov produzida pela atmosfera para estudar os raios-gama, só poderá observar em noites sem Lua. A razão pela qual o SWGO poderá também detectar raios-gama durante o dia é que o seu detetor consiste em grandes tanques fechados de água que são usados ao invés da atmosfera para produzir a radiação Cherenkov.
O SWGO, que hoje é um projeto internacional envolvendo 12 países, teve sua origem no CBPF em 2016, numa parceria com o Laboratório de Instrumentação de Partículas em Lisboa, e o Instituto Nacional de Física Nuclear, da Itália. Nesta sua fase inicial o projeto era chamado de LATTES, em homenagem ao físico brasileiro descobridor do píon, e fundador do CBPF, César Lattes, cujo centenário será comemorado em 2024.
Instrumentação para Astro-partículas
Os raios-gama e raios-cósmicos não penetram a atmosfera, interagindo com as moléculas do ar e gerando uma cascata de partículas secundárias, principalmente, elétrons, pósitrons e fótons, que se propagam pela atmosfera em direção ao solo numa frente que cai crescendo por um processo multiplicativo, e que chamamos de “chuveiro atmosférico”. Apesar de serem extremamente numerosos — cada metro quadrado é atingido por partículas de um chuveiro atmosférico cerca de 300 vezes por segundo — eles são imperceptíveis para nós no dia a dia. Assim sendo, são necessários detectores muito sensíveis, que fazem uso de uma eletrônica avançada, para registrar os sinais necessários para detectá-los.
As partículas relativísticas do chuveiro induzem a emissão de luz Cherenkov ao se propagarem no ar (ou ao penetrarem outros meios dielétricos transparentes como a água por exemplo). Esta radiação Cherenkov, que é proporcional ao número de partículas no chuveiro e a distância percorrida (e portanto sua energia), provê uma medida calorimétrica do chuveiro, e permite portanto estimar a energia do raio-cósmico ou raio-gama primário que chegou no topo da atmosfera. A direção de chegada das partículas, por outro lado, é deduzida por parâmetros geométricos medidos a partir da imagem óptica da luz Cherenkov atmosférica, ou da distribuição das partículas do chuveiro ao atingirem o solo e seu tempo de chegada.
Os observáveis físicos acima descritos são os parâmetros medidos pelos observatórios de raios-gama, como o CTA e o SWGO, que usam a radiação Cherenkov para fazer uma medição indireta do raio-gama primário. Distinguir os chuveiros atmosféricos iniciados por gama dos chuveiros iniciados por raios-cósmicos é um outro aspecto importante desta técnica experimental, que se baseia, entre outras considerações geométricas a respeito do chuveiro, na detecção e identificação direta dos múons, que estão presentes em maior número nos chuveiros hadrônicos, iniciados por raios-cósmicos, e são praticamente ausentes naqueles leptônicos (iniciados por gamas).
No CBPF, trabalhos com o desenvolvimento de instrumentos para medir tais parâmetros dos chuveiros, e fazemos simulações de computador para otimizar a técnica experimental e de análise dos dados. Este trabalho tecnológico é feito no contexto da futura geração de experimentos — CTA e SWGO — que irão construir detectores maiores, mais sensíveis, e usar técnicas experimentais e computacionais mais avançadas para melhorar a sensibilidade das medidas de raios-gama por meio de uma melhor supressão do fundo de chuveiros hadrônicos.
Projetos
 |
 |
| Pierre Auger Observatory | MAGIC - Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes |
 |
 |
| CTA - Cherenkov Telescope Array | SWGO - Southern Wide-Field Gamma-ray Observatory |
Redes Sociais