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
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
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, и этот процесс называется тормозным излучением . Эти два процесса (образование пар и тормозное излучение) продолжаются, приводя к каскаду частиц с уменьшающейся энергией, пока фотоны не упадут ниже порога образования пар, и потери энергии электронов, отличные от тормозного излучения, не начнут преобладать. Характерное количество вещества, прошедшего 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
где - радиационная длина вещества, а- критическая энергия (критическую энергию можно определить как энергию, в которой скорости тормозного излучения и ионизации равны. Грубая оценка:). Глубина ливня логарифмически увеличивается с энергией, а боковой разброс ливня обусловлен в основном 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. . Распространение фотонов в ливне вызывает отклонения от шкалы радиуса Мольера. Однако примерно 95% ливня находится сбоку в цилиндре с радиусом.
Средний продольный профиль энерговклада в электромагнитных каскадах достаточно хорошо описывается гамма-распределением:
где , - начальная энергия и а также являются параметрами, которые необходимо согласовать с Монте-Карло или экспериментальными данными.
Адронные души
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 зависит от длины ядерного взаимодействия :
Развитие бокового ливня не зависит от λ. [ необходима цитата ]
Теоретический анализ
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 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 '. Система интегро-дифференциальных уравнений, управляющих Π и Γ, задается формулой
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 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.
Смотрите также
- 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
- Высотный водный черенковский эксперимент
- Обсерватория Пьера Оже
- Экспериментальные калориметры ATLAS
- Эксперимент CMS, электромагнитные и адронные калориметры
- Каскад столкновений , набор столкновений между атомами в твердом теле.
Рекомендации
- ^ 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, Н; 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 .
- ^ Мигдал, А. Б. (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. Эйдельман; 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 .