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. [1]
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 .
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 образования пар , 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 родственных взаимодействий, называется длиной излучения . - 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 помощью ; «глубина ливня» приближенно определяется соотношением
где – длина излучения вещества, – критическая энергия (критическую энергию можно определить как энергию, при которой скорости тормозного излучения и ионизации равны. Грубая оценка равна ). 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, и латеральный размер масштабируется с радиусом Мольера . Распространение фотонов в ливне вызывает отклонения от мольеровского масштаба радиуса. Однако примерно 95% ливня содержится по бокам в цилиндре радиусом .
Средний продольный профиль энерговыделения в электромагнитных каскадах достаточно хорошо описывается гамма-распределением:
где , – начальная энергия, и – параметры, которые необходимо аппроксимировать данными Монте-Карло или экспериментальными данными.
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, девозбуждение ядер, пионные и мюонные распады. Нейтральные пионы составляют в среднем до 1/3 рождающихся пионов, и 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 :
Развитие бокового ливня не зависит от λ. [ нужна цитата ]
Простую модель каскадной теории электронных ливней можно сформулировать как систему интегро-дифференциальных уравнений в частных производных. [2] 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 произвести 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
γ и π найдены в [3] для низких энергий и в [4] для более высоких энергий.
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 Хаверах-Парке , обнаружили остатки ливня, отбирая энергию, распределённую на большой площади земли.
В детекторах частиц , построенных на ускорителях частиц высоких энергий , 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.
