Душ твердых частиц

В физике элементарных частиц , А душа представляет собой каскад вторичных частиц , полученных в результате более высокой энергии частицы , взаимодействующей с плотной материи. Входящая частица взаимодействует, производя множество новых частиц с меньшей энергией; каждый из них затем взаимодействует таким же образом, и этот процесс продолжается до тех пор, пока не будут произведены многие тысячи, миллионы или даже миллиарды частиц с низкой энергией. Затем они задерживаются в материи и поглощаются. ^[1]

Типы [ править ]

Начало электромагнитного душа.

Есть два основных типа душа. Электромагнитный ливень создается частицей, которая взаимодействует в основном или исключительно посредством электромагнитной силы , обычно это фотон или электрон . Адронные ливни создаются адронами (т. Е. Нуклонами и другими частицами, состоящими из кварков ) и распространяются в основном за счет сильного ядерного взаимодействия .

Электромагнитные души [ править ]

Электромагнитный ливень начинается, когда в материал попадает электрон, позитрон или фотон высокой энергии. При высоких энергиях (выше нескольких МэВ , ниже которых преобладают фотоэлектрический эффект и комптоновское рассеяние ) фотоны взаимодействуют с веществом в основном через образование пар, то есть они превращаются в электрон- позитронную пару, взаимодействуя с ядром атома или электроном по порядку чтобы сохранить импульс . Электроны и позитроны высоких энергий в основном излучают фотоны, этот процесс называется тормозным излучением.. Эти два процесса (образование пар и тормозное излучение) продолжаются до тех пор, пока фотоны не упадут ниже порога образования пар, и потери энергии электронов, отличные от тормозного излучения, не начнут преобладать. Характерное количество вещества, которое проходит через эти взаимосвязанные взаимодействия, называется радиационной длиной . - это как среднее расстояние, на котором высокоэнергетический электрон теряет всю свою энергию, кроме 1 / e, из-за тормозного излучения, так и 7/9 длины свободного пробега для образования пар фотоном высокой энергии. Длина каскада масштабируется с ; «глубина ливня» приблизительно определяется соотношением ${\ displaystyle X_ {0}}$ ${\ displaystyle X_ {0}}$ ${\ displaystyle X_ {0}}$

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

где - радиационная длина вещества, - критическая энергия (критическая энергия может быть определена как энергия, в которой скорости тормозного излучения и ионизации равны. Приблизительная оценка ). Глубина ливня логарифмически увеличивается с энергией, а боковой разброс ливня в основном обусловлен многократным рассеянием электронов. До максимума ливня ливень находится в цилиндре с радиусом <1 радиационной длины. За пределами этой точки электроны все больше подвержены многократному рассеянию, и поперечный размер изменяется в зависимости от радиуса Мольера. ${\ displaystyle X_ {0}}$ ${\ displaystyle E _ {\ mathrm {c}}}$ ${\ Displaystyle E _ {\ mathrm {c}} = 800 \, \ mathrm {МэВ} /(Z+1.2)}$ ${\ Displaystyle R _ {\ mathrm {M}}}$ . Распространение фотонов в ливне вызывает отклонения от шкалы радиуса Мольера. Однако примерно 95% ливня находится сбоку в цилиндре с радиусом . ${\ displaystyle 2R _ {\ mathrm {M}}}$

Средний продольный профиль энерговклада 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 и и являются параметрами для установки с Монте - Карло или экспериментальных данных. $t=X/X_{0}$ $E_{0}$ $a$ $b$

Адронные души [ править ]

Физические процессы, вызывающие распространение адронного ливня, существенно отличаются от процессов в электромагнитных ливнях. Около половины энергии падающего адрона передается дополнительным вторичным компонентам. Остальная часть расходуется на многочастичное производство медленных пионов и другие процессы. Явлениями, определяющими развитие адронных ливней, являются: рождение адронов, девозбуждение ядра и распады пионов и мюонов. Нейтральные пионы составляют в среднем 1/3 произведенных пионов, и их энергия рассеивается в виде электромагнитных ливней. Другой важной характеристикой адронного ливня является то, что он развивается дольше, чем электромагнитный. Это можно увидеть, сравнив количество присутствующих частиц с глубиной для ливней, инициированных пионами и электронами.Продольное развитие адронных ливней масштабируется сдлина ядерного взаимодействия :

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

Развитие бокового ливня не зависит от λ. ^{[ необходима цитата ]}

Теоретический анализ [ править ]

Простая модель каскадной теории электронных ливней может быть сформулирована в виде набора 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 для фотона с энергией E произвести электрон с энергией от E 'до 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 '. Система интегро-дифференциальных уравнений, управляющих Π и Γ, задается формулой

{\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 [ править ]

Космические лучи регулярно попадают в атмосферу Земли и по мере прохождения через атмосферу вызывают ливни. Именно в этих атмосферных ливнях были экспериментально обнаружены первые мюоны и пионы , и сегодня они используются в ряде экспериментов как средство наблюдения космических лучей сверхвысоких энергий . Некоторые эксперименты, такие как Fly's Eye , наблюдали видимую атмосферную флуоресценцию, возникающую при максимальной интенсивности ливня; другие, такие как эксперимент Хавера Парк , обнаружили остатки ливня путем отбора проб энергии, выделенной на большой площади земли.

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

См. Также [ править ]

Воздушный ливень (физика) , обширный (многокилометровый) каскад ионизированных частиц и электромагнитного излучения, возникающий в атмосфере, когда первичный космический луч (т.е. луч внеземного происхождения) входит в нашу атмосферу.
Проект массива телескопов
ВОЛШЕБНЫЙ Черенковский телескоп
Черенковский эксперимент в высокогорной воде
Обсерватория Пьера Оже
Экспериментальные калориметры ATLAS
Эксперимент CMS, электромагнитные и адронные калориметры
Каскад столкновений , набор столкновений между атомами в твердом теле.

Ссылки [ править ]

^ Кон, К., Эберт, У. , Структура ионизационных ливней в воздухе, генерируемых электронами с энергией 1 МэВ или меньше, Plasma Sources Sci. Technol. (2014), т. 23, нет. 045001
^ Ландау, L; Румер, Г. (1938). «Каскадная теория 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, H; Heitler, W (1934). «О 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 .
Перейти ↑ Migdal, A. B (1956). «Тормозное излучение и образование пар в конденсированных средах при высоких энергиях». Физический обзор . 103 (6): 1811–1820. Bibcode : 1956PhRv..103.1811M . DOI : 10.1103 / PhysRev.103.1811 .

«Прохождение частиц через материю» , из С. Эйдельмана; и другие. (2004). «Обзор физики элементарных частиц» . Физика Письма Б . 592 (1–4): 1–5. arXiv : astro-ph / 0406663 . Bibcode : 2004PhLB..592 .... 1P . DOI : 10.1016 / j.physletb.2004.06.001 .

[1] Кон, К., Эберт, У. , Структура ионизационных ливней в воздухе, генерируемых электронами с энергией 1 МэВ или меньше, Plasma Sources Sci. Technol. (2014), т. 23, нет. 045001

[2] Ландау, L; Румер, Г. (1938). «Каскадная теория 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 .

[3] Бете, H; Heitler, W (1934). «О 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 .

[4] Перейти ↑ Migdal, A. B (1956). «Тормозное излучение и образование пар в конденсированных средах при высоких энергиях». Физический обзор . 103 (6): 1811–1820. Bibcode : 1956PhRv..103.1811M . DOI : 10.1103 / PhysRev.103.1811 .

[1]