Частицы ливня

В физике элементарных частиц ливень — это каскад вторичных частиц , образующихся в результате взаимодействия частицы высокой энергии с плотной материей. Входящая частица взаимодействует, производя несколько новых частиц с меньшей энергией; каждая из них затем взаимодействует таким же образом, 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]

Типы

Существует два основных типа ливней. Электромагнитные ливни производятся частицей, которая взаимодействует в основном или исключительно посредством электромагнитной силы , обычно фотоном или электроном . Адронные ливни производятся адронами (т. е. нуклонами и другими частицами, состоящими из кварков ), и протекают в основном посредством сильной ядерной силы .

Электромагнитные души

Электромагнитный ливень начинается, когда высокоэнергетический электрон, позитрон или фотон попадает в материал. При высоких энергиях (выше нескольких МэВ ), при которых фотоэлектрический эффект и комптоновское рассеяние незначительны, фотоны взаимодействуют с веществом в основном посредством образования пар — то есть они преобразуются в пару электрон- позитрон , взаимодействуя с атомным ядром или электроном в целях сохранения импульса . Высокоэнергетические электроны и позитроны в основном испускают фотоны, процесс, называемый тормозным излучением . Эти два процесса (образование пар и тормозное излучение) продолжаются, приводя к каскаду частиц с уменьшающейся энергией до тех пор, пока фотоны не упадут ниже порога образования пар, и потери энергии электронов, отличные от тормозного излучения, не начнут доминировать. Характерное количество вещества, пройденное для этих связанных взаимодействий, называется длиной излучения . это как среднее расстояние, на котором электрон высокой энергии теряет всю, кроме 1/e своей энергии на тормозное излучение, так и 7/9 средней длины свободного пробега для образования пар фотоном высокой энергии. Длина каскада масштабируется с ; "глубина ливня" приблизительно определяется соотношением $X_{0}$ $X_{0}$ $X_{0}$

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

где - длина излучения вещества, а - критическая энергия (критическую энергию можно определить как энергию, при которой скорости тормозного излучения и ионизации равны. Грубая оценка составляет ). Глубина ливня логарифмически увеличивается с энергией, в то время как боковое распространение ливня в основном обусловлено многократным рассеянием электронов. До максимума ливня ливень содержится в цилиндре с радиусом < 1 длины излучения. После этой точки электроны все больше подвергаются многократному рассеянию, а боковой размер масштабируется с радиусом Мольера . Распространение фотонов в ливне вызывает отклонения от масштабирования радиуса Мольера. Однако примерно 95% ливня содержатся сбоку в цилиндре с радиусом . $X_{0}$ $E_{\mathrm {c} }$ $E_{\mathrm {c} }=800\,\mathrm {МэВ} /(Z+1,2)$ $R_{\mathrm {M} }$ $2R_{\mathrm {M} }$

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 , — начальная энергия, а и — параметры, подбираемые с помощью метода Монте-Карло или экспериментальных данных. $t=X/X_{0}$ $E_{0}$ $a$ $b$

Адронные ливни

Физические процессы, вызывающие распространение адронного ливня, значительно отличаются от процессов в электромагнитных ливнях. Около половины энергии падающих адронов передается дополнительным вторичным частицам. Остальная часть расходуется на многочастичное рождение медленных пионов и на другие процессы. Явления, которые определяют развитие адронных ливней, следующие: рождение адронов, ядерное девозбуждение и распады пионов и мюонов. Нейтральные пионы составляют в среднем 1/3 от рожденных пионов, и их энергия рассеивается в форме электромагнитных ливней. Еще одной важной характеристикой адронного ливня является то, что он развивается дольше, чем электромагнитный. Это можно увидеть, сравнив число 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 масштабируется с λ. ^{[ необходима ссылка ]}

Теоретический анализ

Простая модель для каскадной теории электронных ливней может быть сформулирована как набор интегро-частных дифференциальных уравнений. ^[2] Пусть Π (E,x) dE и Γ(E,x) dE будут числом 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 для 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, которые управляют Π и Γ, задается как

{\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 найдены в ^[3] для низких энергий и в ^[4] для более высоких энергий.

Примеры

Космические лучи регулярно попадают в атмосферу Земли и производят ливни, проходя через атмосферу. Именно из этих воздушных ливней были экспериментально обнаружены первые мюоны и пионы , и сегодня они используются в ряде экспериментов как средство наблюдения за сверхвысокой энергией космических лучей . Некоторые эксперименты, такие как Fly's Eye , наблюдали видимую атмосферную флуоресценцию , возникающую при пиковой интенсивности ливня; другие, такие как эксперимент Haverah Park , обнаружили остатки ливня, отбирая образцы энергии, отложенной на большой площади на земле.

В детекторах частиц, построенных на ускорителях частиц высокой энергии , устройство, называемое калориметром, регистрирует энергию частиц, заставляя их производить ливень, а затем измеряя энергию, выделяемую в результате. Многие крупные современные детекторы имеют как электромагнитный калориметр , так и адронный калориметр , каждый из которых специально разработан для производства определенного вида ливня и измерения энергии соответствующего типа частиц.

Смотрите также

Атмосферный ливень (физика) — обширный (шириной во много километров) каскад ионизированных частиц и электромагнитного излучения, образующийся в атмосфере при проникновении в нее первичного космического луча (т. е. луча внеземного происхождения).
Проект «Телескопическая решетка»
Телескоп MAGIC Cherenkov
Эксперимент Черенкова на высокогорной воде
Обсерватория Пьера Оже
Экспериментальные калориметры ATLAS
Эксперимент CMS, электромагнитные и адронные калориметры
Каскад столкновений , ряд столкновений между атомами в твердом теле.

Ссылки

^ Кён, К., Эберт, У. , Структура ионизационных ливней в воздухе, генерируемых электронами с энергией 1 МэВ или меньше, Plasma Sources Sci. Technol. (2014), т. 23, № 045001
^ Ландау, Л.; Румер, Г. (1938). «Теория каскада электронных ливней». Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки . 166 (925): 213–228. Bibcode :1938RSPSA.166..213L. doi : 10.1098/rspa.1938.0088 .
^ Бете, Х.; Гайтлер, В. (1934). «Об остановке быстрых частиц и создании положительных электронов». Труды Королевского общества A: Математические, физические и инженерные науки . 146 (856): 83–112. Bibcode : 1934RSPSA.146...83B. doi : 10.1098/rspa.1934.0140 .
^ Мигдал, А. Б. (1956). «Тормозное излучение и рождение пар в конденсированных средах при высоких энергиях». Physical Review . 103 (6): 1811–1820. Bibcode : 1956PhRv..103.1811M. doi : 10.1103/PhysRev.103.1811.

«Прохождение частиц через вещество», из S. Eidelman; et al. (2004). «Обзор физики элементарных частиц». Physics Letters B. 592 ( 1–4): 1–5. arXiv : astro-ph/0406663 . Bibcode : 2004PhLB..592....1P. doi : 10.1016/j.physletb.2004.06.001.