FÍSICA DOS RAIOS CÓSMICOS COMO PARTE DAS ATIVIDADES DE EXTENSÃO DO CENTRO DE DIVULGAÇÃO CIENTÍFICA E CULTURAL-CDCC

## FÍSICA DOS RAIOS CÓSMICOS COMO PARTE DAS ATIVIDADES DE EXTENSÃO DO CENTRO DE DIVULGAÇÃO CIENTÍFICA E CULTURAL-CDCC

Anderson Aparecido do Espirito Santo , Manuela Vecchi 1 2

- 1 USP/Instituto de Física de São Carlos, anderson.santo@usp.br
- 2 USP/Instituto de Física de São Carlos, manuela.vecchi@ifsc.usp.br

## Resumo

Este trabalho relata o desenvolvimento de uma nova atividade de extensão que foi criada dentro do ambiente do observatório Dietrich Schiel, com objetivo de divulgar a física de raios cósmicos no panorama científico do Centro de Divulgação Científica e Cultural, CDCC. Tendo em vista a necessidade de divulgar o conhecimento sobre esse tema fascinante, onde nosso país tem uma importante participação e que muitas vezes é completamente desconhecida do público, foi desenvolvida uma atividade baseada em um vídeo educativo de curta duração, que explica o que são raios cósmicos, conta um pouco sobre a sua história e como ela se relaciona diretamente com o desenvolvimento da ciência no Brasil. Ao final o vídeo mostra alguns projetos de colaboração internacional, onde há participação de físicos brasileiros, como os projetos Pierre Auger, Espectrômetro Magnético Alpha e Cherenkov Telescope Array. Junto com o vídeo foi desenvolvido um material de apoio para auxiliar os monitores do observatório ou qualquer instrutor a adquirir um conhecimento mais completo sobre o assunto, a fim de responder de forma satisfatória as dúvidas que eventualmente devam surgir após a exibição do vídeo.

Palavras-chave : Radiação, chuveiro atmosférico, física de partículas.

## 1. Introdução

O estudo dos raios cósmicos está relacionado à física de partículas e está se tornando extremamente importante na comunidade científica internacional. Grandes experimentos têm sido realizados nas últimas décadas, com participação de vários países, unicamente para o estudo dos raios cósmicos, com objetivo de estudar o nosso universo através de informações que não podem ser obtidas por meio das radiações eletromagnéticas captadas por telescópios comuns [1].

Atentos ao fato de que apesar de toda essa relevância para o desenvolvimento da ciência brasileira o estudo de raios cósmicos é praticamente desconhecido do público e muitas vezes da própria comunidade acadêmica, sabemos que as novas tecnologias expuseram as pessoas a um verdadeiro bombardeio de informação. Muitas vezes essas informações não são corretas e podem levar a situações graves, como quando boatos gerados sobre raios cósmicos espalhados através da internet levaram pânico à pessoas que acreditaram que eles poderiam estar relacionados a terremotos ou danificar aparelhos eletrônicos.

Como uma iniciativa para tentar suprir essa deficiência da educação na área de física e introduzir um assunto mais moderno e atual para os visitantes do observatório, viu-se a necessidade de criação de uma atividade de extensão para divulgação da física de raios cósmicos dentro do observatório Dietrich Schiel, pertencente ao Centro de Divulgação Científica e Cultural, CDCC, USP.

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A atividade é realizada sob a supervisão de um instrutor e baseada na apresentação de um vídeo educativo que ensina o que são raios cósmicos, contando um pouco sobre sua história e como ela se relaciona intimamente com o desenvolvimento da ciência no Brasil [2]. Além disso, mostramos alguns projetos de colaboração internacional, onde há participação de físicos brasileiros, como os projetos Observatório Pierre Auger, Espectrômetro Magnético Alpha (AMS-02) e Cherenkov Telescope Array (CTA).

Após fazer essa atividade, o público algumas vezes tem o seu primeiro contato com muitos temas da física que antes eram completamente desconhecidos, ou que foram aprendidos de forma errada devido ao uso de fontes de informação não confiáveis. Cabe ao instrutor esclarecer eventuais dúvidas que surjam após a exibição do vídeo da forma mais clara possível.

Como auxílio ao instrutor que irá fazer a atividade com o público, foi escrito um material de apoio ao vídeo que abrange um conteúdo mais amplo, permitindo que as eventuais dúvidas possam ser respondidas sem maiores dificuldades por parte do instrutor.

## 2. Metodologia

O desenvolvimento da atividade foi realizado em uma única etapa, em que por meio da pesquisa na literatura sobre raios cósmicos, foi desenvolvido um roteiro para o vídeo, sempre respeitando a linguagem mais adequada para o tipo de mídia usada. Ao mesmo tempo foi preparado um material de leitura com informação complementar ao assunto abordado. O roteiro foi transformado em vídeo enquanto ainda era elaborado e isso permitiu que algumas vezes ele pudesse ser moldado para se adequar melhor ao material disponível para sua construção, como vídeos de animações sobre o assunto disponíveis na internet com licença de uso livre.

Ainda na etapa de planejamento, se pensou na hipótese de usar algum totem para apresentação do vídeo e assim realizar essa atividade, porém, tendo em vista as várias limitações que esse tipo de apresentação teria e aproveitando os equipamentos de áudio e vídeo disponíveis dentro do ambiente do observatório Dietrich Schiel, optou-se por fazer a atividade em uma sala onde são realizadas palestras e projeção de filmes.

## 3. Apresentação da atividade

Nessa etapa da atividade, antes de exibir o vídeo, o instrutor deve passar ao público uma novidade para muitos, que é o fato de que a luz, ou de forma mais abrangente, a radiação eletromagnética, não é a única forma de nós estudarmos e conhecermos nosso universo. Os raios cósmicos não são uma radiação eletromagnética, mas nos permitem obter importantes informações sobre nosso universo [3].

As pessoas geralmente estão acostumadas com a informação de que telescópios captam a luz de estrelas e objetos distantes, ou que existem radiotelescópios e outras variantes que foram vistas em algum filme ou outro meio de comunicação, e revelar a elas que existem outras maneiras de estudar o universo pode soar como uma grande novidade. Essa informação prepara para o início da apresentação do vídeo.

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## 4. Exibição do vídeo

O vídeo desenvolvido para o projeto possui aproximadamente 5 minutos de duração e pode ser dividido em três partes. Na primeira parte do vídeo, é explicado de forma clara por meio de animações que os raios cósmicos são constituídos de núcleos de átomos e partículas que viajam através do espaço com velocidades muito próximas a velocidade da luz [4]. Não se sabe com certeza absoluta quais mecanismos no universo são capazes de acelerar essas partículas menores que um átomo até energias cinéticas de objetos macroscópicos; para não induzir o público ao erro, optou-se por não tocar nesse assunto, a não ser que seja uma pergunta feita ao instrutor da atividade.

Figura 1: Trecho do vídeo: raio cósmico viajando pelo sistema solar (fonte própria)

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Quando algum raio cósmico consegue atingir nosso planeta, ocorre a formação de uma chuva de partículas chamada de chuveiro atmosférico, que não representa nenhum risco para as pessoas, pois a energia da partícula inicial se perde nesse processo. Os raios cósmicos seguem uma lei de potência e, quanto mais alta for a sua energia, menor será a quantidade de partículas.

Raios cósmicos ultra-energéticos chegam a ter bilhões de vezes mais energia que as partículas produzidas pelo Grande Colisor de Hádrons (LHC) e seria necessário um acelerador de partículas do tamanho do sistema solar para reproduzir essa energia [5].

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Figura 2: Trecho do vídeo: esquema de chuveiro atmosférico (fonte própria)

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Na segunda parte do vídeo é mostrada um pouco da história da física de raios cósmicos. Um erro comum ao se contar um pouco da história dessa área é ficar tentado a acreditar que ela foi feita através de eventos isolados como a 'descoberta' dos raios cósmicos por Victor Hess em 1912. Nós sabemos que havia muitos físicos que estudavam a radiação existente na atmosfera, e as descobertas geralmente são o resultado de anos de pesquisas e conhecimentos gerados por muitas pessoas. Todo esse conhecimento acaba resultando na descoberta [1,4].

Figura 3: Trecho do vídeo: Victor Hess (fonte própria)

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Nessa parte histórica é mostrada a grande influência que o estudo de raios cósmicos teve na ciência do Brasil, como a participação de César Lattes na equipe da universidade de Bristol, que desenvolveu emulsões fotográficas que permitiram a detecção e comprovação da existência do méson π , partícula prevista pelo físico teórico japonês Hideki Yukawa muitos anos antes. A descoberta resultou em dois prêmios Nobel de física no final da década de 1940 e a grande credibilidade alcançada pelos físicos brasileiros permitiu que fossem feitos mais investimentos, resultando na fundação do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) e na criação do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).

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Com o avanço da ciência a partir da década de 1950, os aceleradores de partículas começaram a produzir partículas que antes só podiam ser detectadas nos raios cósmicos. Essa revolução levou ao conhecimento que temos hoje sobre a composição da matéria [3], mas como sabemos, algumas energias de raios cósmicos estão muito além de qualquer tecnologia criada pelo homem, e na terceira parte do vídeo são mostrados alguns experimentos com radiações de origem cósmica com colaboração de muitos físicos brasileiros.

Nessa parte final é mostrado o Observatório Pierre Auger, que está em operação há mais de dez anos no pé dos Andes argentinos e tem detectado mais raios cósmicos ultra-energéticos que qualquer outro experimento já realizado até então. O Observatório tem grande presença brasileira de várias instituições de ensino superior, e o projeto já foi renovado até 2025, com uma modernização de seus equipamentos prevista para os próximos anos [5].

Figura 4: Trecho do vídeo: Observatório Pierre Auger (fonte própria)

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Outro grande experimento internacional com participação brasileira, mostrado no vídeo e pouco conhecido do público é o Espectrômetro Magnético Alpha (AMS-02), um aparelho que é considerado o estado da arte da física de astropartículas.

- O AMS-02 foi instalado em 2011, na Estação Espacial Internacional, e possui vários tipos de detectores de raios cósmicos que enviam os dados recolhidos diretamente para a Terra, onde são analisados pelos cientistas que estudam as matérias incomuns, como a antimatéria e a matéria escura.

As matérias incomuns correspondem a mais de 90% do nosso universo e sempre geram grande curiosidade nas pessoas, pois não se sabe quase nada sobre elas. O experimento AMS-02 deverá trazer novas descobertas sobre esse assunto tão enigmático.

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Figura 5: Trecho do vídeo: Espectrômetro Magnético Alpha (AMS-02) (fonte própria)

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Por último é apresentado ao público o Cherenkov Telescope Array (CTA), que ainda está em fase de desenvolvimento e deverá entrar em operação a partir de 2017, com uma matriz principal construída no Chile e uma matriz menor nas Ilhas Canárias, na Espanha.

Ao contrário dos experimentos mostrados antes, o CTA será o maior observatório de radiação gama das próximas décadas. A radiação gama é um tipo de radiação eletromagnética gerada por eventos altamente energéticos no nosso universo. A estrutura de suporte das câmeras do CTA foi projetada pela indústria brasileira e um terço delas será produzido no Brasil [6].

Figura 6: Trecho do vídeo: Cherenkov Telescope Array (CTA) (fonte própria)

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## 5. Finalização da atividade

Ao final da exibição do vídeo, o público terá tido em muitos casos o primeiro contato com muitos assuntos novos, e irá conhecer pela primeira vez os projetos em que os físicos brasileiros estão diretamente envolvidos. Algumas pessoas até têm

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algum conhecimento anterior sobre o assunto, mas em muitos casos esse conhecimento se deu de forma equivocada, como a eterna polêmica sobre César Lattes e o prêmio Nobel. No vídeo fica explicado de forma clara que César Lattes realmente detectou o méson π nos Andes bolivianos, mas ele fazia parte de uma equipe da universidade de Bristol que já estudava emulsões fotográficas para detectar as partículas.

Para auxiliar o instrutor foi preparado um material de apoio com um conteúdo mais abrangente que o exibido no vídeo; dessa forma, o instrutor deverá ser capaz de responder de forma correta possíveis dúvidas que possam surgir após a apresentação.

## 6. Resultados

Durante o desenvolvimento da atividade de extensão sobre física de raios cósmicos, o material foi apresentado a cerca de 240 pessoas que visitavam o observatório Dietrich Schiel durante o período de dois meses. A atividade foi realizada com pequenos grupos de cerca de 15 pessoas, e em quase todas as atividades realizadas algumas pessoas no público se manifestaram a respeito de dúvidas sobre certos temas relacionados ao tema proposto pela atividade. As dúvidas puderam ser respondidas sem grande dificuldade devido ao material complementar

- O Projeto alcançou seu objetivo principal que era a elaboração de uma atividade em um tema mais moderno e atual na física, com muitos temas interessantes e uma longa história relacionada à ciência brasileira. No estudo de raios cósmicos ainda existem muitas questões em aberto, o que pode incentivar as pessoas a se interessarem mais por essa área fascinante da física.
- O vídeo da atividade Física dos Raios Cósmicos IFSC CDCC e o material de apoio, que foram desenvolvidos durante o projeto, se encontram disponíveis no seguinte endereço na internet https://www.youtube.com/watch?v=1jfagM4CAis.

## 7. Agradecimentos

- O desenvolvimento da nova atividade de extensão sobre física de raios cósmicos dentro do ambiente do observatório Dietrich Schiel foi financiado pela bolsa Aprender com Cultura e Extensão da Pró-Reitoria de Cultura e Extensão Universitária da Universidade de São Paulo, sob a coordenação da Prof.ª Dr.ª Manuela Vecchi.

## Referências

- 1. CIRKEL-BARTELT, Vanessa. History of Astroparticle Physics and its Components. Wuppertal: Max Planck, 2008. Disponível em: &lt;http://relativity.livingreviews.org/Articles/lrr-2008-2/download/lrr-20082Color.pdf&gt;. Acesso em: 5 ago. 2016.
- 2. FREIRE JUNIOR, Olival; SILVA, Indianara. Diplomacia e ciência no contexto da Segunda Guerra Mundial: a viagem de Arthur Compton ao Brasil em 1941. São Paulo: Revista Brasileira de História, 2014. Disponível em: &lt;http://www.scielo.br/pdf/rbh/v34n67/a09v34n67.pdf&gt;. Acesso em: 5 ago. 2016.

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- 3. GAISSER, Thomas K.. Cosmic Rays and Particle Physics. New York: Cambridge University Press, 1990.
- 4. STANEV, Todor. High Energy Cosmic Rays: Second Edition. 2. ed. Chichester: Springer Praxis Books, 2010.
- 5. ANJOS, João dos; VIEIRA, Cássio Leite. Um olhar para o futuro : Desafios da física para o século 21. Rio de Janeiro: Vieira &amp; Lent, 2008.
- 6. PIVETTA, Marcos. Made in Brazil. São Paulo: Revista Pesquisa Fapesp, 2015. Disponível em: &lt;http://revistapesquisa.fapesp.br/wpcontent/uploads/2015/09/074-077\_Braço-de-telescópio\_235.pdf?414242&gt;. Acesso em: 5 ago. 2016.

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