Chuveiros atmosféricos extensos
O vôo de balão feito por Victor Hess em agosto de 1912 se tornou um feito histórico que abriu uma nova janela para a compreensão da matéria no universo. Ao subir a uma altitude de 5300 metros, Victor Hess mediu a taxa de ionização na atmosfera e verificou que ela aumentava para cerca de três vezes em relação à medida no nível do mar. Ele concluiu então que a radiação penetrante na atmosfera tinha origem no espaço. Ele tinha descoberto os raios cósmicos.
Essas partículas de alta energia que chegam do espaço sideral são principalmente (89%) prótons - núcleos de hidrogênio, o elemento mais leve e comum no universo - mas também incluem núcleos de hélio (10%) e núcleos mais pesados (1%), até o urânio. Ao chegarem à Terra, colidem com os núcleos dos átomos da atmosfera superior, criando mais partículas, principalmente, píons. Os píons carregados decaem rapidamente emitindo múons. Ao contrário dos píons, os múons não interagem fortemente com a matéria e podem viajar pela atmosfera e até penetrar no solo. A taxa de múons que chegam à superfície da Terra é tal que, aproximadamente, a cada um segundo um múon atravessa um volume equivalente ao tamanho da cabeça de uma pessoa. O múon é um lépton da segunda geração no Modelo Padrão, e como tal se comporta exatamente como um elétron. A única diferença é sua massa. O múon é mais massivo do que o elétron (∼200 vezes). Adaptado de Science at CERN - Cosmic rays: particles from outer space
Os píons neutros decaem quase que imediatamente em fótons () de alta energia. Fótons de alta energia colidindo com núcleos atômicos podem criar pares elétron-pósitron. Elétrons e pósitrons interagindo com núcleos carregados produzem os chamados fótons brehmstrahlung, que por sua vez podem criar pares, e assim sucessivamente. Quando a energia da partícula de raio cósmico primário é muito alta, elétrons, pósitrons e fótons em forma de cascata podem chegar ao solo.
Um chuveiro atmosférico extenso, se formado a partir de um próton primário de eV, irá produzir em torno de partículas na superfície, com esta composição aproximada: 80% de fótons, 18% de elétrons/pósitrons, 1.7% de múons e 0.3% de hádrons, conforme ilustra a figura a seguir.
