Múons cósmicos
A cada segundo, cerca de cem múons atingem um metro quadrado da superfície terrestre. Eles atravessam telhados, paredes e pessoas sem que ninguém perceba nada. Os múons são a parte mais bem mensurável da radiação cósmica — e uma das quatro contribuições que a equação mestra reúne sob o fluxo efetivo.
De onde eles vêm
Prótons e núcleos atômicos de alta energia vindos do espaço colidem a cerca de quinze quilômetros de altura com núcleos de nitrogênio e de oxigênio da atmosfera. Dessas colisões surgem cascatas de novas partículas: os chuveiros atmosféricos. Grande parte delas são píons, que em frações de um milionésimo de segundo decaem em múons e neutrinos.
De todas as partículas carregadas desses chuveiros, quase só os múons chegam ao solo. O resto é absorvido antes.
Uma partícula que na verdade não deveria chegar
Os múons vivem em média 2,2 microssegundos. Mesmo à velocidade da luz, um múon percorreria nesse tempo apenas cerca de 660 metros — e a atmosfera é vinte vezes mais espessa. Segundo o cálculo clássico, praticamente nenhum deveria alcançar o solo.
Eles o alcançam mesmo assim, e em grande número. A razão é a dilatação do tempo da relatividade especial: do ponto de vista do múon, o trajeto está encurtado; do ponto de vista do solo, seu relógio interno anda mais devagar. O fluxo de múons ao nível do mar é assim uma das mais belas provas cotidianas da teoria de Einstein — a cada segundo, em toda parte, milhões de vezes.
Quantos são
O Particle Data Group indica para o nível do mar cerca de 10² múons por metro quadrado e segundo — aproximadamente um por centímetro quadrado e minuto. A energia média situa-se em torno de 4 GeV.
O fluxo não é igual em toda parte, e isso de um modo agradavelmente compreensível: ele aumenta de forma notável com a altitude, porque há menos atmosfera acima, e depende levemente da latitude geográfica, porque o campo magnético terrestre desvia as partículas primárias incidentes. Quem calcula com esse fluxo pode, portanto, adotá-lo em função do local — e é possível medi-lo por conta própria com detectores comparativamente simples.
A diferença em relação aos neutrinos
Os múons carregam carga elétrica e interagem eletromagneticamente. Eles cedem energia ionizando a matéria em seu caminho — o que é descrito pela perda de energia por unidade de percurso, dE/dx. Um único múon deixa assim um sinal nitidamente maior que um neutrino, cuja seção de choque é muitas ordens de grandeza menor.
Em compensação, o fluxo de neutrinos é muitas vezes mais denso e completamente uniforme no tempo, ao passo que o fluxo de múons oscila com o tempo meteorológico, a altitude e a atividade solar. As duas contribuições se complementam, portanto: uma intensa e variável, a outra fraca e confiável.
Aplicações para além da pesquisa fundamental
Os múons são há muito uma ferramenta. A muografia examina com eles objetos que nenhum aparelho de raios X alcança: em 2017, uma equipe descobriu assim uma cavidade até então desconhecida na pirâmide de Quéops. Vulcanólogos determinam com ela a distribuição de densidade no interior de vulcões ativos, e no Japão o procedimento foi empregado para olhar dentro dos blocos destruídos do reator de Fukushima.
Que uma partícula descoberta há apenas noventa anos examine hoje pirâmides diz bastante sobre o ritmo deste campo.
Termos relacionados
- A equação mestra — ali o fluxo de múons é uma de quatro contribuições
- Seção de choque — por que os múons interagem mais que os neutrinos
- Oscilação de neutrinos — múons e neutrinos nascem juntos no chuveiro atmosférico
- Neutrinovoltaica — a abordagem que pretende aproveitar os dois fluxos
Fontes
- Particle Data Group: Review of Particle Physics — Cosmic Rays (2022).
- K. Morishima et al.: Discovery of a big void in Khufu's Pyramid by observation of cosmic-ray muons. Nature 552, 386–390 (2017).
- H. Tanaka et al.: trabalhos sobre a muografia de vulcões, Earth and Planetary Science Letters, a partir de 2007.