Воздушный душ (физика)

Воздушный поток космических лучей, созданный протоном с энергией 1 ТэВ, попавшим в атмосферу на высоте 20 км над Землей. Ливень моделировался с помощью пакета AIRES . Анимированные 3d модели этого и других душевых можно найти на COSMUS .

обнаружен воздушный ливень В камере Вильсона .

Воздушные ливни представляют собой обширные каскады субатомных частиц и ионизированных ядер, образующиеся в атмосфере , когда первичные космические лучи входят в атмосферу. Когда частица космического излучения, которая может быть протоном , ядром , электроном , фотоном или (реже) позитроном , взаимодействует с ядром молекулы в атмосфере, она производит огромное количество вторичных частиц, из которых состоит душ. В первых взаимодействиях каскада особенно адроны (в основном легкие мезоны, такие как пионы и каоны ) рождаются и быстро распадаются в воздухе, производя другие частицы и электромагнитное излучение, которые являются частью компонентов ливня. В зависимости от энергии космических лучей обнаруживаемый размер потока может достигать нескольких километров в диаметре.

Поглощенное ионизирующее излучение космического излучения в основном состоит из мюонов , нейтронов и электронов, мощность дозы которого варьируется в разных частях мира и в основном зависит от геомагнитного поля, высоты и солнечного цикла. Экипажи авиакомпаний подвергаются большему излучению космических лучей, если они регулярно выполняют полеты по маршрутам, ведущим к Северному или Южному полюсу на больших высотах, где защита от геомагнитного поля минимальна.

Явление воздушного ливня было неосознанно открыто Бруно Росси в 1933 году в ходе лабораторного эксперимента. В 1937 году Пьер Оже , не зная о более раннем отчете Росси, обнаружил то же явление и исследовал его довольно подробно. Он пришел к выводу, что частицы космических лучей имеют чрезвычайно высокие энергии и взаимодействуют с ядрами высоко в атмосфере, запуская каскад вторичных взаимодействий, которые производят обширные ливни субатомных частиц.

Самыми важными экспериментами по обнаружению обширных атмосферных ливней на сегодняшний день являются Проект телескопической решетки и Обсерватория Пьера Оже . Последняя представляет собой крупнейшую когда-либо построенную обсерваторию космических лучей, имеющую 4 здания детекторов флуоресценции и 1600 станций наземных детекторов, занимающих площадь 3000 км2. ² в аргентинской пустыне.

История

В 1933 году, вскоре после открытия излучения космического Виктором Гессом , Бруно Росси провел эксперимент в Институте физики во Флоренции, используя экранированные счетчики Гейгера, чтобы подтвердить проникающий характер космического излучения. Он использовал различные схемы расположения счетчиков Гейгера, в том числе установку из трех счетчиков, где два располагались рядом друг с другом, а третий располагался по центру внизу с дополнительной защитой. На основании обнаружения частиц воздушного дождя, случайно проходящих через счетчики Гейгера, он предположил, что вторичные частицы производятся космическими лучами в первом защитном слое, а также на крыше лаборатории, не зная, что измеренные им частицы были мюонами. , которые производятся в атмосферных ливнях и которые будут обнаружены только три года спустя. Он также отметил, что частота совпадений существенно падает для космических лучей, которые регистрируются под зенитным углом ниже $60^{\circ }$.Похожий эксперимент был проведен в 1936 году Хильгертом и Боте в Гейдельберге .

В публикации 1939 года Пьер Оже вместе с тремя коллегами предположил, что вторичные частицы создаются космическими лучами в атмосфере, и провел эксперименты с использованием экранированных сцинтилляторов и камер Вильсона на Юнгфрауйохе на высоте $3500\,{\text{m}}$ над уровнем моря и на Пике дю Миди на высоте $2900\,{\text{m}}$ над уровнем моря и на уровне моря. Они обнаружили, что частота совпадений уменьшается с увеличением расстояния до детекторов, но не пропадает даже на больших высотах. Тем самым подтверждая, что космические лучи вызывают воздушные ливни из вторичных частиц в атмосфере.Они подсчитали, что первичные частицы этого явления должны иметь энергии до $10^{15}\,{\text{eV}}=1\,{\text{PeV}}$.

На основе идеи квантовой теории теоретические работы по воздушным ливням проводились в период с 1935 по 1940 годы многими известными физиками того времени (в том числе Бхабхой , Оппенгеймером , Ландау , Росси и другими), предполагавшими, что в окрестностях ядерных полей гамма-лучи высокой энергии будут подвергаться парному образованию электронов и позитронов, а электроны и позитроны будут производить гамма-лучи в результате излучения. Работы по обширным воздушным душам продолжались в основном и после войны, так как в Манхэттенском проекте были задействованы многие ключевые фигуры . В 1950-е годы латеральную и угловую структуру электромагнитных частиц в атмосферных ливнях рассчитали японские учёные Коичи Камата и Дзюн Нисимура.

была построена первая группа наземных детекторов, способная обнаруживать воздушные ливни с достаточной точностью для определения направления прибытия первичных космических лучей В 1955 году на станции Агассис в Массачусетском технологическом институте . Массив Агассиса состоял из 16 пластиковых сцинтилляторов, расположенных в $460\,{\text{m}}$ Круглый массив диаметром. Однако результаты эксперимента по определению направлений прибытия космических лучей оказались неубедительными.

Эксперимент Volcano Ranch , построенный в 1959 году и управляемый Джоном Линсли , стал первой решеткой наземных детекторов достаточного размера для обнаружения космических лучей сверхвысокой энергии . В 1962 году был получен первый космический луч с энергией $10^{20}\,{\text{eV}}$ было сообщено. При площади в несколько километров размер ливня на земле был в два раза больше, чем любое событие, зарегистрированное ранее, примерно создавая $5\times 10^{10}$ частицы в душе. Кроме того, было подтверждено, что боковое распределение частиц, обнаруженных на земле, соответствует Кеннета Грейзена . приближению структурных функций, полученных Каматой и Нисимурой.

Новый метод обнаружения обширных атмосферных ливней был предложен Грейзеном в 1965 году. Он предложил напрямую наблюдать черенковское излучение частиц ливня и флуоресцентный свет, создаваемый возбужденными молекулами азота в атмосфере. Таким образом можно было бы измерить продольное развитие ливня в атмосфере. Этот метод был впервые успешно применен и описан в 1977 году на Volcano Ranch с использованием 67 оптических модулей. Вскоре после этого Volcano Ranch завершило свою работу из-за отсутствия финансирования.

В последующие десятилетия последовало множество экспериментов с воздушным душем, в том числе KASCADE , AGASA и HIRES . В 1995 году последний сообщил об обнаружении космического луча сверхвысокой энергии с энергией, превышающей теоретически ожидаемое спектральное отсечение. Воздушный поток космических лучей был обнаружен системой флуоресцентного детектора Fly's Eye и, по оценкам, в своем максимуме содержал примерно 240 миллиардов частиц. Это соответствует первичной энергии космических лучей около $3.2\times 10^{20}{\text{eV}}$. До сих пор не зарегистрировано ни одной частицы с большей энергией. Поэтому ее публично называют частицей «О-Мой-Боже» .

Образование воздушного ливня

Образование воздушных потоков в атмосфере. Сначала протон сталкивается с частицей в воздухе, создавая пионы, протоны и нейтроны.

Воздушный душ образуется при взаимодействии первичных космических лучей с атмосферой, а затем при последующем взаимодействии вторичных частиц и так далее. В зависимости от типа первичной частицы частицы ливня будут создаваться преимущественно за счет адронных или электромагнитных взаимодействий.

Упрощенная модель душа

Вскоре после входа в атмосферу первичный космический луч (в дальнейшем предполагается, что это протон или ядро) рассеивается ядром в атмосфере и создает ядро ​​ливня — область адронов высоких энергий , которая развивается вдоль протяженной траекторию первичного космического луча до тех пор, пока он полностью не будет поглощен атмосферой или землей. Взаимодействие и распад частиц в ядре ливня питают основные компоненты ливня — адроны, мюоны и чисто электромагнитные частицы. Адронная часть потока состоит в основном из пионов и некоторых более тяжелых мезонов , таких как каоны и мезоны. $\varrho$ мезоны.

Нейтральные пионы, $\pi ^{0}$, распадается в результате электрослабого взаимодействия на пары фотонов противоположного вращения, которые подпитывают электромагнитную составляющую ливня. Заряженные пионы, $\pi ^{\pm }$, преимущественно распадаются на мюоны и (анти) нейтрино посредством слабого взаимодействия . То же самое справедливо для заряженных и нейтральных каонов. Кроме того, каоны также производят пионы. Нейтрино от распада пионов и каонов обычно не учитывают как часть ливня из-за их очень малого сечения и относят к части невидимой энергии ливня.

Схема адронного и электромагнитного субкаскадов в воздушном ливне.

Качественно состав частиц ливня можно описать упрощенной моделью, в которой все частицы, участвующие в любом взаимодействии ливня, будут в равной степени делить доступную энергию. Можно предположить, что в каждом адроном взаимодействии $2N_{\text{ch}}$ заряженные пионы и $N_{\text{ch}}$ рождаются нейтральные пионы. Нейтральные пионы распадутся на фотоны, которые подпитывают электромагнитную часть потока. Заряженные пионы тогда продолжат адронно взаимодействовать. После $n$ взаимодействия, доля первичной энергии $E_{0}$ отложенный в адронной компоненте, имеет вид

$E_{\pi }=\left({\frac {2}{3}}\right)^{n}E_{0}$,

и электромагнитная часть таким образом примерно несет

$E_{\gamma }=\left(1-\left({\frac {2}{3}}\right)^{n}\right)E_{0}$.

Пион в. $n$Таким образом, е-е поколение несет в себе энергию $E_{0}/(3N_{\text{ch}}/2)^{n}$. Реакция продолжается до тех пор, пока пионы не достигнут критической энергии. $\epsilon _{\text{c}}^{\pi }\simeq 20\,{\text{GeV}}$, при котором они распадаются на мюоны. Таким образом, в общей сложности

$n_{\text{c}}=\left\lceil {\frac {\ln \left(E_{0}/\epsilon _{\text{c}}^{\pi }\right)}{\ln \left({\tfrac {3}{2}}\,N_{\text{ch}}\right)}}\right\rceil$

ожидается взаимодействие, и в общей сложности $(N_{\text{ch}})^{n_{\text{c}}}=(E_{0}/\epsilon _{\text{c}}^{\pi })^{\beta }$ образуются мюоны, $\beta =\ln N_{\text{ch}}/\ln(3N_{\text{ch}}/2)\simeq 0.95$. Электромагнитная часть каскада развивается параллельно за счет тормозного излучения и образования пар. Для простоты фотоны, электроны и позитроны в ливне часто рассматриваются как эквивалентные частицы. Электромагнитный каскад продолжается до тех пор, пока частицы не достигнут критической энергии $\epsilon _{\text{c}}^{\gamma }\simeq 87\,{\text{MeV}}$, после чего они начинают терять большую часть своей энергии из-за рассеяния на молекулах в атмосфере. Потому что $\epsilon _{\text{c}}^{\gamma }\ll \epsilon _{\text{c}}^{\pi }$, электромагнитные частицы значительно доминируют над числом частиц в ливне. Хорошее приближение для количества (электромагнитных) частиц, образующихся в ливне, равно $N\simeq E_{0}/{\text{GeV}}$. Предполагая, что каждое электромагнитное взаимодействие происходит после средней длины излучения $X_{0}\simeq 37\,{\text{g}}/{\text{cm}}^{2}$ливень достигнет своего максимума на глубине примерно

$X_{\text{max}}\simeq X_{1}+X_{0}\ln \left({\frac {E_{0}}{\text{GeV}}}\right)$,

где $X_{1}$ принимается глубина первого взаимодействия космических лучей в атмосфере. Однако это приближение не является точным для всех типов первичных частиц. Тем более, что ливни тяжелых ядер достигнут максимума гораздо раньше.

Продольный профиль

Число частиц, присутствующих в воздушном ливне, примерно пропорционально калориметрическому энерговыделению ливня. Выделение энергии как функция вытесненного атмосферного вещества, которое можно наблюдать, например, с помощью телескопов с флуоресцентным детектором, известно как продольный профиль ливня. Для продольного профиля ливня актуальны только электромагнитные частицы (электроны, позитроны и фотоны), поскольку они доминируют по составу частиц и вкладу в калориметрический энерговыдел.

Число частиц для разных первичных энергий в зависимости от превзойденной глубины атмосферы.

Профиль ливня характеризуется быстрым ростом числа частиц, прежде чем средняя энергия частиц упадет ниже $\epsilon _{\text{c}}^{\gamma }$ вокруг максимума ливня, а затем медленное затухание. Математически профиль может быть хорошо описан наклонной гауссианой, функцией Гайссера-Хилласа или обобщенной функцией Грейзена.

$N(t)={\frac {\epsilon }{\sqrt {\beta }}}\,{\text{e}}^{\left((t-t_{1})-{\tfrac {3}{2}}\ln s\right)}.$

Здесь $\beta =\ln(E_{0}/\epsilon _{\text{c}}^{\gamma })$ и $t=X/X_{0}$ используя длину электромагнитного излучения в воздухе, $X_{0}=37\,{\text{g}}/{\text{cm}}^{-2}$. $t_{1}$ отмечает точку первого взаимодействия, и $\epsilon \approx 0.31$ является безразмерной константой.Параметр возраста душа $s$ введен для сравнения ливней с разной начальной глубиной и разными первичными энергиями, чтобы подчеркнуть их универсальные особенности, как, например, в максимуме ливня. $s=1$. Для душа с первым общением в $t_{0}=0$, возраст душа $s$ обычно определяется как

$s={\frac {3t}{t+2\beta }}$.

На изображении показан идеальный продольный профиль ливней с использованием различных первичных энергий в зависимости от превзойденной глубины атмосферы. $X$ или, что то же самое, количество длин излучения $t$.

Продольные профили ливней представляют особый интерес в контексте измерения полного калориметрического энерговклада и глубины максимума ливня: $X_{\text{max}}$, поскольку последняя является наблюдаемой, чувствительной к типу первичной частицы.Ярче всего поток виден в флуоресцентный телескоп в максимуме.

Боковой профиль

Для идеализированных электромагнитных ливней угловые и латеральные функции распределения электромагнитных частиц были выведены японскими физиками Нисимурой и Каматой. Для душа возраста $s$, плотность электромагнитных частиц как функция расстояния $r$ к оси ливня можно аппроксимировать функцией НКГ

$\varrho (r)={\frac {N}{2\pi r_{\text{M}}^{2}}}{\frac {\Gamma ({\tfrac {9}{2}})}{\Gamma (s)\Gamma ({\frac {9}{2}}-2s)}}\left({\frac {r}{r_{\text{M}}}}\right)^{s-2}\,\left(1+{\frac {r}{r_{\text{M}}}}\right)^{s-9/2},$

используя количество частиц $N$, радиус Мольера $r_{\text{M}}$ и общая гамма-функция . $N$ может быть задано, например, функцией продольного профиля.Латеральное распределение адронных ливней (т.е. инициируемых первичным адроном, например протоном), содержащих значительно повышенное количество мюонов, можно хорошо аппроксимировать суперпозицией NKG-подобных функций, в которых различные компоненты частиц описываются с помощью эффективные значения для $s$ и $r_{\text{M}}$.

Обнаружение

Исходная частица прилетает с высокой энергией и, следовательно, со скоростью, близкой к скорости света , поэтому продукты столкновений также имеют тенденцию двигаться в основном в том же направлении, что и первичная, хотя и в некоторой степени распространяясь в стороны. Кроме того, вторичные частицы производят обширную вспышку света в прямом направлении из-за эффекта Черенкова , а также свет флуоресценции , который изотропно излучается в результате возбуждения молекул азота. Каскад частиц и свет, производимый в атмосфере, можно обнаружить с помощью наземных детекторных решеток и оптических телескопов. В поверхностных детекторах обычно используются черенковские детекторы или сцинтилляционные счетчики для обнаружения заряженных вторичных частиц на уровне земли. Телескопы, используемые для измерения флуоресценции и черенковского света, используют большие зеркала для фокусировки света на скоплениях ФЭУ . Наконец, воздушные ливни излучают радиоволны из-за отклонения электронов и позитронов геомагнитным полем. Преимущество перед оптическими методами заключается в том, что радиообнаружение возможно круглосуточно, а не только в темные и ясные ночи. Так, ряд современных экспериментов, например, ТАЙГА , ЛОФАР или обсерватория Пьера Оже используют радиоантенны в дополнение к детекторам частиц и оптическим методам.

См. также

• Обсерватория космических лучей
• Душ частиц

Внешние ссылки

• Обширные воздушные души .
• Детектор воздушного душа Buckland Park
• Система обнаружения парка Хавера
• Детекторная система HiRes
• Обсерватория Пьера Оже
• HiSPARC (Проект средней школы по астрофизике и космическим исследованиям)
• AIRES (AIRshower Extended Simulations): Большой и хорошо документированный пакет на Фортране для моделирования потоков космических лучей, разработанный Серджио Скиутто на факультете физики Национального университета Ла-Платы , Аргентина.
• КОРСИКА , КОРСИКА : Еще один код для моделирования воздушных потоков космических лучей, разработанный Дитером Хеком из Исследовательского центра Карлсруэ , Германия.
• COSMUS : интерактивные анимированные 3D-модели нескольких различных воздушных потоков космических лучей и инструкции о том, как создать свои собственные с помощью моделирования AIRES. От группы COSMUS в Чикагском университете.
• Анимации Milagro : видеоролики и инструкции по их созданию, показывающие, как воздушные ливни взаимодействуют с детектором Milagro. Мигель Моралес.
• Анимации CASSIM : Анимации различных воздушных потоков космических лучей, созданные Хаджо Дрешлером из Нью-Йоркского университета.
• Эксперимент SPASE2 : Эксперимент с воздушным душем на Южном полюсе (SPASE).
• ГАММА-эксперимент : эксперимент с воздушным душем в высокогорье.