Душ частиц

В физике элементарных частиц ливень — это каскад вторичных частиц, образующихся в результате взаимодействия частицы высокой энергии с плотным веществом. Входящая частица взаимодействует, создавая множество новых частиц с меньшей энергией; каждый из них затем взаимодействует одинаковым образом, и этот процесс продолжается до тех пор, пока не будут произведены многие тысячи, миллионы или даже миллиарды частиц низкой энергии. Затем они останавливаются в материи и поглощаются.

Типы

Начало электромагнитного дождя.

Существует два основных типа душа. Электромагнитные ливни производятся частицей, которая взаимодействует преимущественно или исключительно посредством электромагнитной силы , обычно это фотон или электрон . Адронные ливни производятся адронами (т.е. нуклонами и другими частицами, состоящими из кварков ) и происходят в основном за счет сильного ядерного взаимодействия .

Электромагнитные души

Электромагнитный душ начинается, когда в материал попадает электрон, позитрон или фотон высокой энергии. При высоких энергиях (свыше нескольких МэВ ), когда фотоэффект и комптоновское рассеяние незначительны, фотоны взаимодействуют с веществом преимущественно посредством парного образования , т. е. превращаются в электрон- позитронную пару, взаимодействуя с атомным ядром или электроном в чтобы сохранить импульс . Электроны и позитроны высоких энергий в основном излучают фотоны — этот процесс называется тормозным излучением . Эти два процесса (рождение пар и тормозное излучение) продолжаются, что приводит к каскаду частиц с уменьшающейся энергией до тех пор, пока фотоны не упадут ниже порога образования пар, и потери энергии электронов, отличных от тормозного излучения, начнут преобладать.Характерное количество вещества, пройденное для этих связанных взаимодействий, называется длиной излучения. $X_{0}$. $X_{0}$ - это одновременно среднее расстояние, на котором электрон высокой энергии теряет всю свою энергию, кроме 1/e, из-за тормозного излучения, и 7/9 длины свободного пробега для образования пар фотоном высокой энергии. Длина каскада масштабируется с $X_{0}$; «глубина ливня» приближенно определяется соотношением

$X=X_{0}{\frac {\ln(E_{0}/E_{\mathrm {c} })}{\ln 2}},$

где $X_{0}$ – радиационная длина вещества, $E_{\mathrm {c} }$ – критическая энергия (критическую энергию можно определить как энергию, при которой скорости тормозного излучения и ионизации равны. Грубая оценка равна $E_{\mathrm {c} }=800\,\mathrm {MeV} /(Z+1.2)$). Глубина ливня логарифмически возрастает с энергией, а латеральное распространение ливня обусловлено главным образом многократным рассеянием электронов. До максимума ливня ливень содержится в цилиндре радиусом < 1 радиационной длины. За пределами этой точки на электроны все больше влияет многократное рассеяние, а латеральный размер масштабируется с радиусом Мольера. $R_{\mathrm {M} }$. Распространение фотонов в ливне вызывает отклонения от мольеровского масштаба радиуса. Однако примерно 95% ливня содержится по бокам в цилиндре радиусом $2R_{\mathrm {M} }$.

Средний продольный профиль энерговыделения в электромагнитных каскадах достаточно хорошо описывается гамма-распределением:

${\frac {dE}{dt}}=E_{0}b{\frac {(bt)^{a-1}e^{-bt}}{\Gamma (a)}}$

где $t=X/X_{0}$, $E_{0}$ - начальная энергия и $a$ и $b$ — параметры, которые необходимо аппроксимировать данными Монте-Карло или экспериментальными данными.

Адронные ливни

Физические процессы, вызывающие распространение адронного ливня, существенно отличаются от процессов в электромагнитных ливнях. Около половины энергии падающих адронов передается дополнительным вторичным компонентам. Остальное расходуется на многочастичное рождение медленных пионов и другие процессы. Явлениями, определяющими развитие адронных ливней, являются: рождение адронов, ядерное девозбуждение, пионные и мюонные распады. Нейтральные пионы составляют в среднем до 1/3 рождающихся пионов, а их энергия рассеивается в виде электромагнитных ливней. Другой важной характеристикой адронного дождя является то, что он развивается дольше, чем электромагнитный. В этом можно убедиться, сравнив количество присутствующих частиц с глубиной для пионных и электронных ливней. Продольное развитие адронных ливней масштабируется с длиной ядерного взаимодействия :

$\lambda ={\frac {A}{N_{A}\sigma _{\mathrm {abs} }}}$

Развитие бокового ливня не зависит от λ.

Теоретический

Простую модель каскадной теории электронных ливней можно сформулировать как систему интегро-дифференциальных уравнений в частных производных. Пусть Π (E,x) dE и Γ(E,x) dE — количество частиц и фотонов с энергией между E и E+dE соответственно (здесь x — расстояние вдоль материала). Аналогично, пусть γ(E,E')dE' будет вероятностью на единицу длины пути фотона с энергией E создать электрон с энергией между E' и E'+dE'. Наконец, пусть π(E,E')dE' будет вероятностью на единицу длины пути для электрона с энергией E испустить фотон с энергией между E' и E'+dE'. Набор интегро-дифференциальных уравнений, управляющих Π и Γ, имеет вид

${\begin{aligned}{\frac {d\Pi (E,x)}{dx}}&=2\int _{E}^{\infty }\Gamma (u,x)\gamma (u,E)du+\int _{E}^{\infty }\Pi (u,x)\pi (u,u-E)du-\int _{0}^{E}\Pi (E,x)\pi (E,E-u)du\\{\frac {d\Gamma (E,x)}{dx}}&=\int _{E}^{\infty }\Pi (u,x)\pi (u,E)du-\int _{0}^{E}\Gamma (E,x)\gamma (E,u)du.\end{aligned}}$

γ и π находятся в для низких энергий и в для более высоких энергий.

Примеры

Космические лучи регулярно попадают в атмосферу Земли и создают ливни, проходя через атмосферу. Именно из этих воздушных ливней были экспериментально обнаружены первые мюоны и пионы , и они используются сегодня в ряде экспериментов как средство наблюдения космических лучей сверхвысоких энергий . В некоторых экспериментах, таких как Fly's Eye , наблюдалась видимая атмосферная флуоресценция , возникающая при максимальной интенсивности ливня; другие, такие как эксперимент в Хавера-Парке , обнаружили остатки ливня, отбирая энергию, распределённую на большой площади земли.

В детекторах частиц, высоких энергий построенных на ускорителях частиц , устройство, называемое калориметром, регистрирует энергию частиц, заставляя их создавать ливень, а затем измеряет выделившуюся в результате энергию. Многие крупные современные детекторы имеют как электромагнитный калориметр , так и адронный калориметр , каждый из которых разработан специально для создания определенного типа ливня и измерения энергии соответствующего типа частиц.

См. также

• Воздушный душ (физика) — обширный (шириной в несколько километров) каскад ионизированных частиц и электромагнитного излучения, образующийся в атмосфере при попадании в нашу атмосферу первичных космических лучей (т. е. внеземного происхождения).
• Проект массива телескопов
• Телескоп MAGIC Черенкова
• Высотный эксперимент Черенкова с водой
• Обсерватория Пьера Оже
• Экспериментальные калориметры ATLAS
• Эксперимент CMS, электромагнитные и адронные калориметры
• Каскад столкновений , совокупность столкновений между атомами твердого тела.

Ссылки

• «Прохождение частиц через вещество» , из С. Эйдельман; и др. (2004). «Обзор физики элементарных частиц» . Буквы по физике Б. 592 (1–4): 1–5. arXiv : astro-ph/0406663 . Бибкод : 2004PhLB..592....1P . дои : 10.1016/j.physletb.2004.06.001 .