En física de partículas , una lluvia es una cascada de partículas secundarias producidas como resultado de una partícula de alta energía que interactúa con materia densa. La partícula entrante interactúa, produciendo múltiples partículas nuevas con menor energía; cada uno de ellos luego interactúa, de la misma manera, en un proceso que continúa hasta que se producen muchos miles, millones o incluso miles de millones de partículas de baja energía. Estos luego se detienen en la materia y se absorben. [1]
Tipos
Hay dos tipos básicos de duchas. Las lluvias electromagnéticas son producidas por una partícula que interactúa principal o exclusivamente a través de la fuerza electromagnética , generalmente un fotón o un electrón . Las lluvias hadrónicas son producidas por hadrones (es decir, nucleones y otras partículas hechas de quarks ) y proceden principalmente a través de la fuerza nuclear fuerte .
Duchas electromagnéticas
Una lluvia electromagnética comienza cuando un electrón, un positrón o un fotón de alta energía entra en un material. A altas energías (por encima de unos pocos MeV , por debajo de las cuales predominan el efecto fotoeléctrico y la dispersión de Compton ), los fotones interactúan con la materia principalmente a través de la producción de pares , es decir, se convierten en un par electrón- positrón , interactuando con un núcleo atómico o electrón en orden para conservar el impulso . Los electrones y positrones de alta energía emiten principalmente fotones, un proceso llamado bremsstrahlung . Estos dos procesos (producción de pares y bremsstrahlung) continúan, lo que lleva a una cascada de partículas de energía decreciente hasta que los fotones caen por debajo del umbral de producción de pares y comienzan a dominar las pérdidas de energía de electrones distintos de bremsstrahlung. La cantidad característica de materia atravesada para estas interacciones relacionadas se denomina longitud de radiación.. es tanto la distancia media sobre la cual un electrón de alta energía pierde todo menos 1 / e de su energía por bremsstrahlung como 7/9 del camino libre medio para la producción de pares por un fotón de alta energía. La longitud de la cascada escala con; la "profundidad de la ducha" está aproximadamente determinada por la relación
dónde es la longitud de radiación de la materia, yes la energía crítica (la energía crítica se puede definir como la energía en la que las tasas de ionización y bremsstrahlung son iguales. Una estimación aproximada es). La profundidad de la lluvia aumenta logarítmicamente con la energía, mientras que la extensión lateral de la lluvia se debe principalmente a la dispersión múltiple de los electrones. Hasta el máximo de la ducha, la ducha está contenida en un cilindro con un radio de <1 longitud de radiación. Más allá de ese punto, los electrones se ven cada vez más afectados por la dispersión múltiple, y el tamaño lateral escala con el radio de Molière. . La propagación de los fotones en la lluvia provoca desviaciones de la escala del radio de Molière. Sin embargo, aproximadamente el 95% de la ducha está contenida lateralmente en un cilindro con radio.
El perfil longitudinal medio de la deposición de energía en cascadas electromagnéticas está razonablemente bien descrito por una distribución gamma:
dónde , es la energía inicial y y son parámetros que se deben ajustar con datos de Monte Carlo o experimentales.
Duchas hadrónicas
Los procesos físicos que provocan la propagación de una lluvia de hadrones son considerablemente diferentes de los procesos en las lluvias electromagnéticas. Aproximadamente la mitad de la energía del hadrón incidente se transmite a secundarios adicionales. El resto se consume en la producción de múltiples partículas de piones lentos y en otros procesos. Los fenómenos que determinan el desarrollo de las lluvias hadrónicas son: producción de hadrones, desexcitación nuclear y desintegraciones de piones y muones. Los piones neutros representan, en promedio, 1/3 de los piones producidos y su energía se disipa en forma de lluvias electromagnéticas. Otra característica importante de la lluvia hadrónica es que tarda más en desarrollarse que la electromagnética. Esto se puede ver comparando el número de partículas presentes con la profundidad de las lluvias iniciadas por piones y electrones. El desarrollo longitudinal de las lluvias hadrónicas escalas con la longitud de interacción nuclear :
El desarrollo de la ducha lateral no se escala con λ. [ cita requerida ]
Análisis teorico
Se puede formular un modelo simple para la teoría en cascada de las duchas electrónicas como un conjunto de ecuaciones diferenciales integro-parciales. [2] Sean Π (E, x) dE y Γ (E, x) dE el número de partículas y fotones con energía entre E y E + dE respectivamente (aquí x es la distancia a lo largo del material). De manera similar, sea γ (E, E ') dE' la probabilidad por unidad de longitud de trayectoria de un fotón de energía E de producir un electrón con energía entre E 'y E' + dE '. Finalmente, sea π (E, E ') dE' la probabilidad por unidad de longitud del camino de un electrón de energía E de emitir un fotón con energía entre E 'y E' + dE '. El conjunto de ecuaciones integro-diferenciales que gobiernan Π y Γ está dado por
γ y π se encuentran en [3] para energías bajas y en [4] para energías más altas.
Ejemplos de
Los rayos cósmicos golpean la atmósfera terrestre de forma regular y producen lluvias a medida que avanzan a través de la atmósfera. Fue a partir de estas lluvias de aire que se detectaron experimentalmente los primeros muones y piones , y en la actualidad se utilizan en una serie de experimentos como un medio para observar rayos cósmicos de energía ultra alta . Algunos experimentos, como Fly's Eye , han observado la fluorescencia atmosférica visible producida en el pico de intensidad de la lluvia; otros, como el experimento de Haverah Park , han detectado los restos de una lluvia al muestrear la energía depositada en una gran área del suelo.
En los detectores de partículas construidos con aceleradores de partículas de alta energía , un dispositivo llamado calorímetro registra la energía de las partículas haciendo que produzcan una lluvia y luego midiendo la energía depositada como resultado. Muchos detectores grandes y modernos tienen tanto un calorímetro electromagnético como un calorímetro hadrónico , cada uno diseñado especialmente para producir ese tipo particular de lluvia y medir la energía del tipo de partícula asociado.
Ver también
- Lluvia de aire (física) , una cascada extensa (de muchos kilómetros de ancho) de partículas ionizadas y radiación electromagnética producida en la atmósfera cuando un rayo cósmico primario (es decir, uno de origen extraterrestre) ingresa a nuestra atmósfera.
- Proyecto Telescope Array
- Telescopio MAGIC Cherenkov
- Experimento de Cherenkov en agua a gran altitud
- Observatorio Pierre Auger
- Calorímetros de experimento ATLAS
- Experimento CMS, calorímetros electromagnéticos y hadrónicos
- Cascada de colisión , un conjunto de colisiones entre átomos en un sólido
Referencias
- ^ Köhn, C., Ebert, U. , La estructura de las lluvias de ionización en el aire generadas por electrones con 1 MeV de energía o menos, Plasma Sources Sci. Technol. (2014), vol. 23, no. 045001
- ↑ Landau, L; Rumer, G (1938). "La teoría de la cascada de las duchas electrónicas" . Actas de la Royal Society A: Ciencias Matemáticas, Físicas e Ingeniería . 166 (925): 213–228. Código Bibliográfico : 1938RSPSA.166..213L . doi : 10.1098 / rspa.1938.0088 .
- ^ Bethe, H; Heitler, W (1934). "Sobre la detención de partículas rápidas y sobre la creación de electrones positivos" . Actas de la Royal Society A: Ciencias Matemáticas, Físicas e Ingeniería . 146 (856): 83–112. Código Bibliográfico : 1934RSPSA.146 ... 83B . doi : 10.1098 / rspa.1934.0140 .
- ^ Migdal, A. B (1956). "Bremsstrahlung y producción de pares en medios condensados a altas energías". Revisión física . 103 (6): 1811–1820. Código Bibliográfico : 1956PhRv..103.1811M . doi : 10.1103 / PhysRev.103.1811 .
- "Paso de partículas a través de la materia" , de S. Eidelman; et al. (2004). "Revisión de la física de partículas" . Physics Letters B . 592 (1–4): 1–5. arXiv : astro-ph / 0406663 . Código bibliográfico : 2004PhLB..592 .... 1P . doi : 10.1016 / j.physletb.2004.06.001 .