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.