Do ponto de vista epistemol´ogico, observar ou detectar um objeto nada mais ´e do que detectar uma onda eletromagn´etica ou sonora refletida por esse objeto. Os objetos que observamos todos os dias s˜ao vis´ıveis gra¸cas `a luz refletida por eles. Sa- bemos que a luz nada mais ´e do que uma componente da radia¸c˜ao eletromagn´etica que pode ser detectada pelo olho humano. As dimens˜oes das part´ıculas f´ısicas nesses experimentos, por´em, s˜ao tais que as ondas eletromagn´eticas n˜ao s˜ao perturbadas por elas, o comprimento de onda da luz vis´ıvel estende-se do violeta (400nm) ao ver- melho (700nm) e a dimens˜ao de um ´atomo ´e de aproximadamente 0.1 nm. Portanto, percebemos que a ´unica maneira de detectar tais part´ıculas ´e atrav´es da radia¸c˜ao emitida quando de sua intera¸c˜ao com a mat´eria. Uma part´ıcula carregada com alta velocidade que se mova atrav´es de um meio perde energia quase que constantemente e ´e ligeiramente desviada de sua dire¸c˜ao inicial. Estes efeitos s˜ao resultados de dois tipos de colis˜oes que podem ocorrer entre a part´ıcula e o meio:
• Colis˜ao Inel´astica, principal forma de perda de energia da part´ıcula incidente, ocorre quando esta colide com os el´etrons dos ´atomos do meio, particularmente com os de ´orbita mais externa, este tipo de colis˜ao ´e respons´avel pela ioniza¸c˜ao e/ou excita¸c˜ao dos ´atomos do meio;
• Colis˜ao el´astica com o n´ucleo, menos frequente e que, na pr´atica, n˜ao causa perda de energia mas sim o desvio da dire¸c˜ao da part´ıcula incidente;
Estas colis˜oes ocorrem v´arias vezes ao longo do caminho percorrido pela part´ıcula incidente no meio; a energia perdida em cada colis˜ao representa uma pequena fra¸c˜ao da energia cin´etica da part´ıcula (algumas dezenas de eV), por´em, devido ao elevado n´umero de colis˜oes que ocorrem em um meio denso, isto faz com que a energia total perdida pelas part´ıculas no meio se torne mensur´avel.
Os principais mecanismos de intera¸c˜ao das part´ıculas com a mat´eria utilizados nos detectores s˜ao basicamente de dois tipos: cintila¸c˜ao (ou excita¸c˜ao) e a ioniza¸c˜ao. A radia¸c˜ao de Cherenkov tamb´em ´e utilizada em alguns tipos de detectores. Al´em disso, para part´ıculas relativ´ısticas mais leves, principalmente el´etrons, o processo de perda de energia conhecido como bremsstrahlung tamb´em pode ser considerado.
3.2.1
Excita¸c˜ao ou Cintila¸c˜ao
Na excita¸c˜ao, representada na Figura 3.2, parte da energia das part´ıculas carre- gadas que atravessam a mat´eria do detector pode ser usada para ionizar o estado dos ´atomos ou mol´eculas do material do qual o detector ´e composto, ou levar estes ´
a este ´ultimo processo. O estado de excita¸c˜ao desses ´atomos e mol´eculas ´e inst´avel, a excita¸c˜ao n˜ao consiste na remo¸c˜ao do el´etron do ´atomo, apenas na sua eleva¸c˜ao a um n´ıvel energ´etico maior (estado excitado), saindo, portanto, do n´ıvel fundamen- tal. Ao retornar ao n´ıvel fundamental, a energia perdida pelo el´etron ´e emitida na forma de f´otons que podem ser transformados em sinal el´etrico. Quando a energia envolvida no processo ´e tal que os f´otons emitidos est˜ao na regi˜ao do vis´ıvel, este processo ´e chamado de fluorescˆencia ou cintila¸c˜ao. Historicamente, a cintila¸c˜ao foi o primeiro processo utilizado para a gera¸c˜ao de sinais em calor´ımetros.
Figura 3.2: Excita¸c˜ao atˆomica. Fonte:[2]
3.2.2
Ioniza¸c˜ao
A ioniza¸c˜ao, vista na Figura 3.3, ocorre quando part´ıculas carregadas que atra- vessam a mat´eria ionizam os ´atomos do qual essa mat´eria ´e feita. As radia¸c˜oes ionizantes s˜ao aquelas que possuem energia acima da energia de liga¸c˜ao dos el´etrons do ´atomo com o n´ucleo. Dessa forma, a energia das radia¸c˜oes ionizantes ´e capaz de arrancar el´etrons de seus orbitais, formando, assim, ´ıons positivos. A cole¸c˜ao desses el´etrons liberados pode ser usada como uma t´ecnica de produ¸c˜ao de sinal em uma grande variedade de detectores de part´ıculas.
3.2.3
Radia¸c˜ao Cherenkov
A radia¸c˜ao de Cherenkov ´e uma radia¸c˜ao eletromagn´etica emitida quando uma part´ıcula carregada atravessa um meio com velocidade maior do que a luz nesse determinado meio. As part´ıculas carregadas polarizam as mol´eculas do meio que voltam para o seu estado fundamental rapidamente emitindo radia¸c˜ao no processo, o espectro vis´ıvel da radia¸c˜ao exibe a caracter´ıstica de uma luz de tonalidade que depende do meio. Esta luz pode ser observada em abundˆancia em ambientes al- tamente radioativos, como, por exemplo, em tanques de reatores nucleares. Outro local onde este fenˆomeno pode ser observado ´e nas profundezas do oceano, onde a luz azul observada ´e fruto da radia¸c˜ao causada por raios c´osmicos penetrantes, uma ilustra¸c˜ao deste fenˆomeno pode ser visto na Figura 3.4. A radia¸c˜ao de Cherenkov ´e utilizada em muitos experimentos, como, nos detectores localizados no observat´orio Pierre Auger na Argentina [26], que estuda raios c´osmicos altamente energ´eticos. Outra aplica¸c˜ao interessante da radia¸c˜ao de Cherenkov ´e na detec¸c˜ao de neutrinos, como utilizado no detector de neutrinos Super-Kamiokande localizado no interior do monte Ikenoyama no Jap˜ao, onde 11 mil fotomultiplicadores s˜ao capazes de detectar e distinguir neutrinos do el´etron e do m´uon [6]. Nesses experimentos as medi¸c˜oes da velocidade da part´ıcula pode ser obtido medindo-se o ˆangulo do cone de Cherenkov, da mesma forma como podemos medir a velocidade de uma embarca¸c˜ao atrav´es da esteira de onda formada por ele.
Figura 3.4: Radia¸c˜ao de Cherenkov e o cone formado no meio. Fonte:[4]
3.2.4
Bremsstrahlung
Este fenˆomeno, ilustrado na Figura 3.5, trata-se da emiss˜ao de um f´oton a partir de um el´etron defletido por um n´ucleo. ´E um processo que ocorre devido `a intera¸c˜ao
eletromagn´etica que produz uma grande perda de energia. O processo de bremss- trahlung ´e a forma mais comum de perda de energia para part´ıculas com velocidades relativ´ısticas.
Figura 3.5: Bremsstrahlung. Fonte:[5]