Demonstração experimental da dilatação do tempo e da contração do espaço dos múons da radiação cósmica

Abstract

Apresentamos uma atividade experimental de física moderna realizada com um telescópio de múons da radiação cósmica. A montagem do telescópio, feita com cintiladores plásticos, e a eletrônica utilizada são descritas. Utilizando a mecânica clássica e a teoria especial da relatividade, calculamos a intensidade esperada para os múons na superfície da Terra. Medimos uma intensidade vertical de (141 ± 1) múons/(m 2 .s.sr) em Campinas e demonstramos que somente com a dilatação do tempo de vida dos múons, ou a contração do espaço no referencial do múon, podemos explicar os resultados experimentais. Palavras-chave: relatividade especial, raios cósmicos, múons, detectores de partículas.We present a modern physics experiment using a cosmic ray muons telescope. The telescope assembly with plastic scintillators and modular electronics is described. The classical mechanics and the special theory of relativity are used to calculate the intensity of múons on the Earth's surface. The vertical intensity measured at Campinas was (141 ± 1) muons/(m 2 .s.sr) and can be explained with the muons lifetime dilatation or length contraction in the muon rest frame. Keywords: especial theory of relativity, cosmic rays, muons, particle detectors. IntroduçãoO descobrimento de uma radiação extraterrestre em altas energias foi conseqüência de experimentos desenvolvidos entre o final do século XIX e início do XX para estudar a condutividade dos gases. Acreditava-se que um gás, na ausência de radiação, devia ser um sistema não condutor. Entretanto observou-se que mesmo num gás isolado de fontes de radiação havia sempre uma ionização residual de aproximadamente 10 pares iônicos por cm 3 que não podia ser explicada pela teoria.Essa radiação foi investigada pela primeira vez em 1910 por Theodor Wulf, que a denominou de "raios de grandes altitudes" e assim conjecturou que eles viriam do espaço, e não da superfície ou profundezas da Terra. Em 1912, Victor Hess instalou alguns eletroscópios em um balão atmosférico conseguindo detectar pela primeira vez uma radiação descendente de grande poder de penetração, constatando desta forma a existência da agora denominada "radiação cósmica", ou dos "raios cósmicos". Esse fato abriu uma novaárea de investigação associadaà física moderna.As pesquisas com raios cósmicos dividem-se, de uma forma geral, em dois grandes campos de atuação: o primeiro relacionado com as partículas elementares e as suas interações com a matéria; o segundoé referente aos seus aspectos geofísicos e astrofísicos. Apesar dos experimentos com as tecnologias atuais e com os recentes avanços teóricos naárea, ainda existem várias questões em aberto quantoà natureza e origem dessa radiação [1]. Do ponto de vista pedagógico e de divulgação, felizmente alguns aspectos da física moderna são abordados em revistas e outros meios de informação, além de livros didáticos de nível universitário.É notório o exemplo do decaimento das partículas elementares denominadas de múons, produzidas a partir dos píons em grandes altitudes, tratado em capítulos envolv...

Panorama Dos Artigos Sobre Atividades Experimentais Publicados Na Revista Brasileira De Ensino De Física No Período Compreendido Entre 2002 E 2017

“…Após a construção de um telescópio de múons, utilizando cintiladores plásticos, os autores sugerem uma demonstração experimental, de Física Moderna, da dilatação do tempo e da contração do espaço dos múons da radiação cósmica (Fauth et al, 2007). Laganá (2011) Em um desses trabalhos foi analisada a validade da aproximação de lente fina em atividades experimentais que envolvem a determinação de distâncias focais (Carlin et al, 2007) Um experimento para descobrir, a partir do espectro de impedância de uma "caixa preta" (montada com resistores e capacitores numa configuração desconhecida), que tipo de associação existe em seu interior é apresentado por seus autores (Chinaglia et al, 2008) que utilizam um arranjo experimental composto por um gerador de áudio como fonte AC para alimentar a caixa e um osciloscópio de duplo canal para medir tanto a parte real como a imaginária da impedância complexa do circuito desconhecido em função da frequência do gerador.…”

Física: contextualizando a educação e a prática pedagógica - Volume 1

“…Após a construção de um telescópio de múons, utilizando cintiladores plásticos, os autores sugerem uma demonstração experimental, de Física Moderna, da dilatação do tempo e da contração do espaço dos múons da radiação cósmica (Fauth et al, 2007). Laganá (2011) Para verificar a segunda lei de Newton é descrito um procedimento experimental, que permite acelerar um carrinho sobre um trilho de ar por meio de forças constantes e conhecidas Canola;Vollet, 2013) mostrando, ainda, como determinar a aceleração a partir de velocidades médias calculadas para intervalos de tempo sucessivos do movimento, usando vários contadores eletrônicos conectados a um único circuito oscilador a cristal.…”

Panorama dos artigos sobre Atividades Experimentais publicados na Revista Brasileira de Ensino de Física no período compreendido entre 2002 e 2017

“…Após a construção de um telescópio de múons, utilizando cintiladores plásticos, os autores sugerem uma demonstração experimental, de Física Moderna, da dilatação do tempo e da contração do espaço dos múons da radiação cósmica (FAUTH et al, 2007). Laganá (2011) sugere o estudo de raios cósmicos através das imagens obtidas com uma câmara de nuvens de baixo custo.…”