A simulação dos raios cósmicos

Uma das componentes do projeto CELESTE utiliza simulações computacionais para estudar o que acontece quando partículas cósmicas energéticas, provenientes do espaço, atingem a atmosfera da Terra.

O que são essas partículas?

Há prótons, elétrons e núcleos atômicos viajando pelo universo a uma velocidade próxima da luz, carregando uma energia imensamente superior àquela que conseguimos produzir em aceleradores terrestres, como o LHC. Quando essas partículas chegam ao topo da nossa atmosfera, elas desencadeiam uma cascata de reações complexas, criando chuveiros atmosféricos de partículas secundárias, produzidas após o primeiro contato. A simulação do CELESTE tem como objetivo reproduzir digitalmente esse processo, permitindo que os alunos o estudem em detalhes a nível profissional.

Como a simulação é construída?

A simulação é feita a partir de arquivos de códigos (instruções de programação) escritos principalmente em Python, uma linguagem de programação. Para simular com precisão como as partículas interagem com a matéria (neste caso, a atmosfera e a superfície da Terra), utilizamos um kit de ferramentas poderoso chamado GEANT4, o qual funciona como uma "biblioteca de fenômenos físicos" altamente especializada. Tal kit é usado mundialmente por físicos no cenário profissional para simular a passagem de partículas através de diferentes materiais com aplicações em física de alta energia, nuclear, aceleradores entre outras áreas.

Um dos aspectos cruciais da simulação é a validação de um modelo da atmosfera terrestre. Para isso, o projeto CELESTE já desenvolveu diferentes versões com diferentes níveis de complexidade, como exemplo:

• Versão de Camadas Simples: um modelo básico com densidade atmosférica e mesma composição ao nível do mar, ideal para testes iniciais e para entender os conceitos fundamentais.
• Versão de Camadas Complexas (cerca de 42): o modelo divide a atmosfera em dezenas de camadas com densidades diferentes e mesma composição, segundo a referência, permitindo simular a passagem da partícula primária com um modelo mais realista da atmosfera terrestre.
• Versão dinâmica da atmosfera (em desenvolvimento): Como a adição de nuvens e poluentes atmosféricos influenciam na formação do chuveiro atmosférico e chegada das partículas secundárias na superfície? Pensando nisso faremos modificações na simulação que visem tais aspectos.

O modelo da atmosfera e da superfície terrestre foi possível utilizando o GDML (Geometry Description Markup Language And Its Application), conhecido como um formato para descrever geometrias de detectores ele permite adicionar camadas da atmosfera necessário para nosso estudo, pois sabe-se que a partícula primária irá perder energia ao longo de sua trajetória e interagir com componentes atmosféricos (composta por oxigênio, nitrogênio, argônio e outros em menores proporções), de modo que o chuveiro atmosférica se forma, deixando os rastros da partícula primária (múon, por exemplo).

O arquivo GDML possui como esquema principal:

1. Definições: define constantes físicas (ex.: eV), quantidades, expressões, posições e rotações globais que serão usadas como referência ao longo do arquivo;
2. Materiais: definição de materiais, isótopos e elementos com suas composições atômicas, densidades e frações.
3. Sólidos: definição de blocos sólidos (ex: paralelepípedos e cubos). Na simulação definimos o sólido "WorldBox", "atmosphere" e "earth".
4. Estrutura: definição da hierarquia da geometria de um conjunto de volumes. Para definição dos volumes tomamos como referência os materiais e sólidos antes definidos.
5. Setup: configuração da geometria tomando um sólido de referência como o volume superior, ou mundo.

Como os alunos participam?

A operação do projeto é totalmente remota e colaborativa. Os alunos acessam o computador onde a simulação está hospedada originalmente usando o protocolo SSH — uma conexão segura que permite o controle remoto de um computador pela internet. O código-fonte é totalmente gerenciado e armazenado em uma plataforma online chamada GitLab, a qual funciona como um "drive compartilhado", permitindo que várias pessoas trabalhem no mesmo projeto sem perder o controle das versões do código. Também é graças a essa plataforma que os alunos podem cada um ter seu "branch", uma ramificação local que permite a alteração de parâmetros sem danificar aqueles estabelecidos originalmente.

Dessa forma, podemos modificar os arquivos de configuração da simulação para investigar diferentes cenários, como:

• Alterar o tipo de partícula incidente (prótons, elétrons, íons, etc.).
• Variar o nível de energia das partículas para estudar diferentes fenômenos.

Essa flexibilidade permite que cada aluno ou grupo personalize seus experimentos de acordo com seus interesses de pesquisa e com as fases específicas de desenvolvimento do projeto.

No momento, estamos estudando em grupo, com a versão da atmosfera terrestre de camadas complexas, a análise dos dados de saída de diferentes partículas e energias. Em um trio, cada um dos alunos simula o código localmente e avalia as saídas, debatendo em reuniões online quais novidades encontraram e o que da simulação pode ser interessante para ser utilizado no painel interativo do projeto: o Dashboard.

Para a etapa do desenvolvimento da interface, utilizamos a linguagem Julia que destaca-se por combinar alta performance, comparável a linguagens como C e Fortran, com uma sintaxe simples e produtiva, similar à de Python, juntamente com a biblioteca Dash, o desenvolvimento do dashboard se torna bem mais prático. A grande vantagem dessa biblioteca, é que ela permite construir interfaces web ricas e interativas, sem a necessidade de escrever HTML, CSS ou JavaScript. A estrutura dessa aplicação é definida por um "layout" que organiza componentes visuais (gráficos, tabelas, sliders, botões, etc.), e a interatividade é controlada através de "callbacks", que são funções em Julia que respondem a ações do usuário, como a seleção de um item em um menu, atualizando dinamicamente o conteúdo da página.

O primeiro elemento gráfico é um carrossel de eventos, onde o usuário pode visualizar diversas simulações de chuveiros de partículas, em sequência, temos um gráfico de barras que representa a quantidade de partículas do evento que está selecionado no carrossel, detalhando a composição do chuveiro e mostrando a abundância de cada tipo de partícula gerada, como fótons, elétrons, múons entre outras, sendo estas escolhidas pelo checklist da lateral. Em seguida, temos alguns gráficos de linhas que abordam características físicas fundamentais para entender o fenômeno, como a relação entre "Densidade X Altitude", que mostra como a atmosfera se rarefaz com a altura, "Velocidade X Fator de Lorentz", que ilustra os efeitos relativísticos em partículas próximas à velocidade da luz, este gráfico possui um ponto marcado de acordo com o fator de lorentz selecionado na barra lateral e por último o gráfico "Fator de Lorentz X Tempo de vida dilatado", que explica como o tempo de vida de partículas instáveis é estendido devido à sua alta velocidade.

Observação

Este documento visa a documentação de como está ocorrendo o processo de simulação de raios cósmicos do projeto CELESTE, desde a parte teórica à técnica e à prática em grupo da análise de dados, e é atualizado constantemente.