A partícula que quebrou o limite cósmico de velocidade

Os físicos estão começando a desvendar os mistérios de raios cósmicos ultra-energéticos, as partículas aceleradas pelas forças mais poderosas do universo.

Na noite de 15 de Outubro de 1991, a partícula "Oh-My-God" riscou o céu Utah.

Um raio cósmico espacial, possuía 320 exa-elétron-volts (EEV) de energia, milhões de vezes maior do que o valor que as partículas atingem no Grande Colisor de Hádrons, o acelerador mais potente já construído pelo homem. A partícula estava indo tão rápido que em uma corrida de um ano com a luz, ela teria perdido por meros milésimos de segundos. Sua energia igualou a  de uma bola de boliche caindo em um dedo do pé. Mas bolas de boliche contêm tantos átomos quanto o número de  estrelas existentes. "Ninguém nunca pensou que poderia concentrar tanta energia em uma única partícula antes", disse David Kieda , um astrofísico da Universidade de Utah.

Mais ou menos cinco milhas de onde ela caiu, um pesquisador trabalhava em seu turno dentro de um velho reboque infestado de ratos estacionado no topo de uma montanha no deserto. Mais cedo, ao anoitecer, Mengzhi "Steven" Luo tinha mudado nos computadores para detector Olho de Mosca, um conjunto de dezenas de espelhos esféricos que apontavam para o espaço. A medida que a escuridão caiu em uma noite clara e sem Lua, Luo apontou o equipamento para o céu. 

O rastro fraco e brilhante da partícula Oh-My-God ( ou "Oh meu Deus!", apelido dado pelo programador de computadores e  fundador John Walker em um artigo da Web) foi visto nos dados do olho de mosca no verão seguinte e relatou depois que o grupo passou um ano convencendo-se que o sinal era real. A partícula tinha quebrado um limite de velocidade cósmica  décadas antes por Kenneth Greisen, Georgiy Zatsepin e Vadim Kuzmin, que argumentou que qualquer partícula energizada além de cerca de 60 EeV, irá interagir com a radiação de fundo que permeia o espaço, assim, vertendo assim rapidamente a energia e abrandando-a. Este "corte GZK" sugeriu que a partícula Oh-My-God deve ter se originado recentemente nas proximidades e provavelmente dentro do superaglomerado local de galáxias. Mas um acelerador astrofísico de tamanho e potência inimagináveis seria necessária para produzir tal partícula. Quando os cientistas olhou na direção de onde tinha vindo a partícula, eles não conseguiam ver nada do tipo.

"É como se você tivesse um gorila em seu quintal jogando bolas de boliche em você, mas ele é invisível", disse Kieda.

Matriz do olho da mosca operando no Dugway Proving Ground, uma base militar no deserto de Utah ocidental, 1981-1993; ele foi pioneiro na "técnica de fluorescência de ar" para determinar as energias e direções de raios cósmicos ultra-energéticos baseados em emissão de luz fraca pelas moléculas de ar de azoto a medida que o a chuva de raios cósmicos atravessa a atmosfera. Em 1991, o olho da mosca detectou um raio cósmico que ainda detém o recorde mundial de partículas de energias elevadas.

De onde a partícula Oh-Meu-Deus vem? Como ela poderia existir? Será que elas realmente existem? As perguntas motivaram astrofísicos para construir detectores maiores, mais sofisticados, que, desde então, centenas de milhares registraram mais "raios cósmicos ultra-energéticos" com energias acima de 1 EeV, incluindo algumas centenas de "trans-GZK" eventos acima de 60 EeV (embora nenhum atingindo 320 EeV). Ao quebrar o limite de velocidade GZK, estas partículas desafiam uma das previsões de longo alcance mais distantes já feitas. Parecia possível que eles pudessem oferecer uma janela para as leis da física em escalas de outra forma inacessíveis - talvez até mesmo conectar a física de partículas com a evolução do cosmo como um todo. No mínimo, eles prometeram revelar o funcionamento de objetos astrofísicos extraordinárias que só tinha sido cintilados em lentes de telescópio. Mas ao longo dos anos, a medida que as partículas  pincelaram luz através de sensores em todas as direções, em vez de pintar um padrão revelador de que poderia ser combinado a, digamos, os locais de buracos negros supermassivos ou galáxias em colisão, eles criaram uma confusão. "É difícil explicar os dados de raios cósmicos com qualquer teoria em particular", disse Paul Sommers, um astrofísico semi-aposentado da Universidade Estadual da Pensilvânia que se especializou em raios cósmicos ultra-energéticos. 

Problemas com o tornozelo

Milhares de raios cósmicos bombardeiam cada centímetro quadrado da atmosfera da Terra a cada segundo. O físico austríaco Victor Hess subiu algumas milhas na atmosfera e observou que a quantidade de radiação ionizante aumentou com a altitude. Hess mediu este zumbido de partículas eletricamente carregadas, durante um eclipse solar, na qual conseguiu captar as partículas vindas do Sol. Ele recebeu o Prêmio Nobel de Física por seus esforços em 1936.

Um gráfico logarítmico que mostra o fluxo de raios cósmicos como uma função de energia. A linha tem duas curvas (onde acontecem  mudanças de inclinação), do espectro de energia de raios cósmicos conhecidas como "joelho" e "tornozelo."

Os raios cósmicos, como ficaram conhecidos, lançaram-se através do campo magnético da Terra de todas as direções, e com um amplitude suave de energia. A maioria dos raios cósmicos são prótons individuais, os blocos de construção da carga positiva dos núcleos atômicos; a maior parte do resto são núcleos mais pesados, e alguns são elétrons. Existem também os raio cósmico mais energéticos também mais raros. Nesse caso, os mais raros de todos, são aqueles que são rotulados como raios de "ultra-alta energia" e excedem 1 EeV, espalhando-se cada quilômetro quadrado do planeta somente uma vez por século.

A plotagem do número de raios cósmicos que atingem detectores de acordo com as suas energias produz uma linha inclinada para baixo com duas curvas do espectro de energia — a curva do "joelho" e  do "tornozelo". Estes parecem marcar transições para diferentes tipos de raios cósmicos ou fontes progressivamente maiores e mais poderosas. A questão é, quais os tipos, e que fontes?

Como muitos especialistas, Karl-Heinz Kampert, professor de astrofísica na Universidade de Wuppertal, na Alemanha e porta-voz do Observatório Pierre Auger, o maior detector de raios cósmicos de ultra-alta energia do mundo, acredita que os raios cósmicos são acelerados por algo como estrontos sônicos de jatos supersônicos, mas em escalas grandiosas. Aceleração de choque, como é chamado, "é um processo fundamental que você encontrar em qualquer escala do universo," disse Kampert, de erupções solares a explosões de estrelas (supernovas), pulsares e  núcleos galácticos ativos.

 Todos são casos de matéria aquecida (ou "plasma") que fluem mais rápido do que a velocidade do som, produzindo uma onda de choque em expansão que se acumula em uma crosta de prótons e outras partículas. As partículas refletem para frente e para trás em toda a onda de choque, presas entre o campo magnético do plasma e do vácuo do espaço vazio como se fossem pequenas bolas de pingue-pongue entre a mesa e as raquetes. Uma partícula ganha energia com cada salto. "Em seguida, ela vai escapar",disse  Kampert, " se move através do universo e são detectadas por um experimento."

A tentativa de combinar diferentes ondas de choque no espectro de raios cósmicos de energia coloca os astrofísicos em terreno movediço. Eles esperam que o joelho e o tornozelo marquem os pontos mais altos para que prótons e núcleos mais pesados ​​(respectivamente) possam ser energizados nas ondas de choque de supernovas - os aceleradores mais poderosos da nossa galáxia.

 Os cálculos sugerem os prótons se lançam para fora em torno de 0,001 EeV e, na verdade, isso se alinha com o joelho. Núcleos mais pesados ​​de ondas de choque de supernovas são capazes de atingir 0,1 EeV, tornando este número o ponto de transição esperada para fontes mais potentes de raios cósmicos "extragalácticos". Estes seriam ondas de choque de objetos singulares que não são encontrados na Via Láctea ou na maioria das outras galáxias. No entanto, o tornozelo medido no espectro - "o único lugar onde parece que há uma transição clara", - fica a cerca de 5 EeV, uma ordem de grandeza que ultrapassa o máximo teórico de raios cósmicos galácticos. Ninguém sabe ao certo o que fazer com essa discrepância.

Com o tornozelo ultrapassando em cerca de 60 EeV, a linha mergulha para zero, formando uma espécie de dedo do pé. Este é provavelmente o corte GZK, o ponto além do qual raios cósmicos demoram pouco tempo antes de perder a energia de microondas cósmicas geradas por uma fase de transição no início do universo. 

A presença do corte GZK significa que as leis da física estão operando conforme o esperado. Em vez de refutar essas leis, os raios cósmicos trans-GZK provavelmente se originam nas proximidades. Mas onde e como? Por 20 anos, as partículas pareciam vir de todos os lugares e em nenhum lugar em particular. Poderia ser o tal gorila invisível arremessado bolas de boliche em direção à Terra?

Ficando mais quente

Dos 87 raios cósmicos superando 57 EeV detectado até agora pelo Telescope Array, 27 por cento vêm de 6 por cento do céu. O hotspot (ponto quente) centra-se na constelação de Ursa Maior.

Em Utah, a três horas de carro a partir local do Olho de Mosca , seu último descendente se espalha através do deserto: uma grade de quilômetros quadrados de detectores chamado Telescope Array. O experimento vem acompanhando os vários bilhões de partículas chamadas "chuveiros atmosféricos" produzidas por raios cósmicos ultra-energéticos desde 2008. "Nós estamos acompanhando o aumento estatístico por vários anos", disse Gordon Thomson , um professor de física e astronomia na Universidade de Utah e porta-voz do Telescope Array.

O hotspot de raios cósmicos trans-GZK, que se centra na constelação da Ursa Maior, foi inicialmente muito fraco para ser levado a sério. Mas no ano passado,chegou a uma significante estatística estimada de "quatro sigma," dando-lhe a chance 99,994 por cento de ser real. Thomson e sua equipe devem chegar a cinco sigma de certeza de reivindicar definitivamente a descoberta. (Thomson espera que isso vai acontecer na próxima análise de dados do grupo, que deve sair em junho.) Já, os teóricos estão tratando o hotspot como uma âncora para as suas ideias.

"É realmente emocionante", disse Linden. Ao acompanhar outros tipos de partículas provenientes do mesmo ponto no céu, "você tem um modelo de como a fonte funciona através com muitas ordens de magnitude em energia", disse ele. O gorila invisível se materializaria.

No Pólo Sul, o Observatório de Neutrinos IceCube está se aproximando do mistério dos raios cósmicos ultra-energéticos pelos caça neutrinos cósmicos relacionados, que interagem com os átomos de vez em quando ao passar pelo bloco de quilômetro cúbico dentro no sensor de gelo

De vez em quando, neutrinos cósmicos interagem com os átomos e produzem radiação à medida que passam através do IceCube; suas direções de viagens traçam um novo mapa do cosmos que pode ser comparado aos mapas de raios cósmicos ultra-energéticos e as da luz. Em 2013, os cientistas do IceCube relaram a observação dos neutrinos de alta-energia - um par de partículas de 0,001-EEV apelidadas de "Bert" e "Ernie" que poderiam ter vindo das mesmas fontes que produzem raios cósmicos ultra-energéticos . Neutrinos têm uma grande vantagem sobre os raios cósmicos como mensageiros dos objetos mais poderosos do universo: Porque eles são eletricamente neutros, eles se movem em linhas retas. "Um vezque os neutrinos viajam da fonte para nós, eles podem serem capazes de abrir uma nova janela no universo," disse Olga Botner da Universidade de Uppsala, na Suécia, porta-voz do IceCube.

Dos 54 neutrinos de alta energia que o IceCube detectou como  sua mais recente análise, informado no início de maio, quatro foram originadas a partir da proximidade do hotspot de raios cósmicos. (Neutrinos podem entrar no detector depois de viajar através da Terra a partir do céu do norte.) Este "toque de correlação", como Linden descreveu, poderia ser uma pista: Os raios cósmicos levam mais tempo para chegar a Terra do que os neutrinos, então uma fonte comum teria que ter sido bombeada para fora das partículas energéticas por muitos anos. Candidatos da fonte de origem, como explosões de raios gama que são descartados a favor de objetos estáveis — talvez uma galáxia com formação de estrelas com um buraco negro supermassivo em seu centro.

Drenagem da Piscina

KAMPERT, do Observatório Pierre Auger, se aproxima do mistério dos raios cósmicos ultra energéticos de uma direção diferente: o que são eles?

Alguns astrofísicos dizem que o Observatório Auger tem dado "azar". Ele detectou indícios de uma ligeira concentração de raios cósmicos trans-GZK no céu que cobre um núcleo galáctico ativo chamado Centaurus A, bem como outro filamento. Mas Kampert diz que o Auger não pôde coletar dados suficientes para provar se este chamado "ponto quente" é mesmo real. Ainda assim, a escassez de pistas é um mistério em si.

"É um conjunto de dados muito rico e mesmo assim não vemos nada", disse Sommers, que ajudou a projetar e organizar o Observatório Auger. "Isso é absolutamente incrível para mim. Na década de 1980 eu teria apostado um bom dinheiro que se tivéssemos as estatísticas que temos agora, não haveria hotspots e padrões óbvios. "

"Se nas mais altas energias temos [núcleos mais pesados], então o seu céu estará sempre fora de foco ou manchado", disse Kampert. "Seria como estudar astronomia a partir do fundo de uma piscina."

Ele e sua equipe esperam atualizar seu experimento com a capacidade de identificar a composição dos raios cósmicos numa base caso-a-caso. "A composição é realmente a chave para entender a origem das partículas de energias elevadas", disse ele.

A mudança na direção de núcleos mais pesados ​​no extremo do espectro de energia de raios cósmicos em si poderia ser uma pista importante. Assim como supernovas aceleram prótons mais longe do que o "joelho" do espectro e podem impulsionar núcleos mais pesados ​ para além desse ponto, elas também podem ser os mais poderosos aceleradores astrofísicos do universo. Os cientistas poderiam vislumbrar o verdadeiro ponto do espectro de raios cósmicos: os pontos em que prótons e, em seguida, o hélio, carbono e  o ferro, são máximos. A medição desta queda vai ajudar a expor a forma com que os aceleradores gigantes trabalham - e favorecer determinados candidatos em detrimento a outros.

Os teóricos ainda lutam para imaginar qualquer desses candidatos produzem a pitada de partículas na faixa de 200 EeV ou a partícula Oh-Meu-Deus em 320 - mesmo se elas não forem feitas de ferro.

Voltar no início de 1990, Sommes, que temporariamente trabalhou na Universidade de Utah, ajudou os cientistas do olho da moscaa analisarem o sinal de 320-EeV. Mas, embora o "grande evento" (como ele chama) foi "muito bem medido pelos padrões da época," o olho da mosca estava longe de ser um experimento "monocular", análogo ao olho de uma mosca, em vez de dois (um segundo olho estava em construção); faltava-lhe a precisão e redundância de matrizes estereoscópicas posteriores. O fluxo de partículas de energias tão altas deve ser baixo, e teria sido um incrível golpe de sorte se olho da mosca detectasse uma."

As barras de erro que calcularam a energia da partícula Oh-meu-Deus podem terem sido desligadas ao mesmo tempo. Se assim for, foi um erro de sorte, motivando novos experimentos. E se a partícula Oh-Meu-Deus foi um erro, bem, provavelmente ninguém nunca vai saber.

Traduzido e adaptado de Quanta Magazine