Chuveiros Atmosféricos Extensos

A atmosfera da Terra recebe constantemente partículas altamente energéticas provenientes do espaço exterior, os raios cósmicos. Ao atingirem altitudes da estratosfera, os raios cósmicos colidem com núcleos atômicos dos gases atmosféricos, produzindo uma cascata de partículas secundárias que espalha-se por extensas áreas. Estas cascatas são denominadas Chuveiros Atmosféricos Extensos.

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 Os raios cósmicos primários são compostos principalmente por núcleos atômicos ionizados (≈ 90% prótons, ≈ 9% partículas α, ≈ 1% de núcleos mais pesados e uma pequena parcela contendo elétrons, nêutrons, fótons e neutrinos. Ao longo do desenvolvimento dos chuveiros a quantidade de partículas cresce rapidamentente, atinge um máximo e, posteriormente, decresce, conforme a energia total é dividida pelos secundários. A depender da energia disponível, podem ser geradas milhões ou até bilhões de partículas num chuveiro atmosférico extenso.

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Dentre os secundários há núcleons (prótons ou nêutrons), fragmentos de núcleos, mésons (π, K,...), léptons (e+,e-,νe,μ+,μ-,νμ...) e fótons (γ). Nas colisões com os núcleos da atmosfera, são emitidos principalmente píons: π0,π+, ou π-. Os π0 têm um tempo de vida muito curto (τ ≈ 8,4 x 10-17 s), decaindo em dois fótons na faixa dos raios γ:

π0 → γ + γ.

Estes fótons, interagindo com os campos nucleares, formam pares elétron-pósitron:

γ + γ → e+ + e-,

que também interagem com a matéria do ar emitindo radiação na forma de mais raios γ:

e+ → e+ + γ,

e- → e- + γ,

num processo conhecido como Bremsstrahlung (radiação de freamento, em alemão), ou ainda como emissão síncroton. Estes raios γ vão gerar mais pares elétron-pósitron, que vão emitir mais γ, que vão gerar mais pares elétron-pósitron, etc., formando a cascata eletromagnética, assim denominada, uma vez que todos estes processos são de natureza eletromagnética. A componente eletromagnética do chuveiro é a mais prolífica, contendo ≈ 98% das partículas, e é também a reponsável pela maior parte dos sinais emitidos por ele, em várias regiães do espectro eletromagnético: ondas de rádio, micro-ondas, luz de fluorescência, luz Cherenkov, raios X ou raios γ.

Os píons carregados (π+ ou π-), por sua vez, têm um tempo de vida maior (τ ≈ 26 ns), vindo a decair num múon e num neutrino:

π+ → μ+ + νμ,

π- → μ- + ν̅μ.

Os múons (μ+ ou μ-) são léptons carregados com massa cerca de 200 vezes maior que a dos elétrons. Por isso, não sofrem deflexões ou perdas de energia muito significativas na atmosfera, viajando praticamente em linha reta até o solo. Eles formam a componente muônica dos chuveiros, que contém somente ≈ 1,7% de suas partículas, mas é a componente mais penetrante e mais presente ao nível do solo. Já os neutrinos atmosféricos são muito leves e interagem muito fracamente com o ar, ou com materiais mais densos, como a água ou a rocha.

Há ainda uma pequena parcela (≈ 0,3% das partículas) de hádrons (prótons, nêutrons, píons, káons,...) que é produzida no eixo central, formando a componente hadrônica do chuveiro. As partículas da cascata hadrônica podem realimentar todo o processo se sofrerem novas colisões com outros núcleos, ao longo de seus caminhos pela atmosfera.

A frente de partículas viaja a velocidades muito próximas à da luz e algumas delas chegam à superfície com energias suficientes para penetrar através da crosta terrestre ou do mar por grandes profundidades.