Análise comparativa da produção de raios Gamma em cascatas geradas por feixes de prótons em ambientes de ar atmosférico, CO2 e CH4, via simulações com Geant4

Abstract

Este trabalho apresenta a análise da produção de radiação gama resultante da interação de feixes de prótons com energias de 0,5, 1, 5 e 10 GeV em três atmosferas distintas: ar atmosférico (composto majoritariamente por N2 e O2), dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4). As simulações foram realizadas utilizando o pacote Geant4, com um volume paralelepipédico de 10 km × 10 km × 20 km como ambiente de propagação. Os resultados obtidos evidenciam padrões característicos de produção de radiação gama para cada tipo de atmosfera. De modo geral, observou-se um aumento na intensidade da radiação com o crescimento da energia do feixe incidente, sendo a emissão mais significativa nas camadas iniciais do volume simulado. As atmosferas compostas por ar e CO2 apresentaram maior eficiência na geração de fótons de menor comprimento de onda (mais energéticos), especialmente nas energias de 5 GeV e 10 GeV. No ar, observou-se comprimento de onda mínimo da ordem de 0,000 25 nm a 10 GeV. O CO2, além de gerar fótons mais energéticos, apresentou maior dispersão espectral, com desvio padrão em torno de 1,2 × 10−5 nm e pico próximo a 0,000 46 nm. Em contraste, o CH4 gerou fótons com os maiores comprimentos de onda médios em todas as energias simuladas (entre 0,015 nm e 0,0175 nm), indicando predominância de radiação menos energética. Os resultados confirmam que a composição da atmosfera influencia diretamente a modulação da cascata eletromagnética e a distribuição espectral da radiação gama produzida.

This work presents an analysis of gamma-ray production resulting from the interaction of proton beams with energies of 0.5, 1, 5, and 10 GeV in three different atmospheric compositions: air (mainly composed of N2 and O2), carbon dioxide (CO2), and methane (CH4). The simulations were performed using the Geant4 toolkit within a 10 km × 10 km × 20 km rectangular volume. The results reveal characteristic gamma-ray production patterns for each atmospheric medium. In general, the intensity of the radiation increases with the beam energy, with the most significant emissions occurring in the initial layers of the simulation domain. Air and CO2 atmospheres demonstrated higher efficiency in generating shorter-wavelength (more energetic) photons, especially at 5 GeV and 10 GeV. For air, the minimum observed wavelength reached approximately 0,000 25 nm at 10 GeV. CO2 showed a broader spectral dispersion, with a standard deviation around 1,2 × 10−5 nm and a spectral peak near 0,000 46 nm. In contrast, CH4 produced photons with the longest average wavelengths across all simulated energies (ranging from 0,015 nm to 0,0175 nm), indicating a predominance of less energetic radiation. These results confirm that atmospheric composition plays a crucial role in shaping the electromagnetic cascade and the spectral distribution of the resulting gamma radiation.