Chuveiro de partículas - Particle shower

Na física de partículas , uma chuva é uma cascata de partículas secundárias produzidas como resultado de uma partícula de alta energia interagindo com a matéria densa. A partícula que chega interage, produzindo várias partículas novas com menos energia; cada um deles interage, da mesma maneira, um processo que continua até que muitos milhares, milhões ou mesmo bilhões de partículas de baixa energia sejam produzidas. Estes são então interrompidos na matéria e absorvidos.

Tipos

O início de uma chuva eletromagnética.

Existem dois tipos básicos de chuveiros. Chuveiros eletromagnéticos são produzidos por uma partícula que interage principalmente ou exclusivamente por meio da força eletromagnética , geralmente um fóton ou elétron . Chuveiros hadrônicos são produzidos por hádrons (ou seja, núcleons e outras partículas feitas de quarks ) e procedem principalmente por meio da força nuclear forte .

Chuveiros eletromagnéticos

Uma chuva eletromagnética começa quando um elétron, pósitron ou fóton de alta energia entra em um material. Em altas energias (acima de alguns MeV , abaixo dos quais o efeito fotoelétrico e o espalhamento Compton são dominantes), os fótons interagem com a matéria principalmente por meio da produção de pares - isto é, eles se convertem em um par elétron- pósitron , interagindo com um núcleo atômico ou elétron em ordem para conservar o momentum . Elétrons e pósitrons de alta energia emitem principalmente fótons, um processo chamado bremsstrahlung . Esses dois processos (produção de pares e bremsstrahlung) continuam, levando a uma cascata de partículas de energia decrescente até que os fótons caiam abaixo do limite de produção de pares, e as perdas de energia de outros elétrons além de bremsstrahlung começam a dominar. A quantidade característica de matéria percorrida para essas interações relacionadas é chamada de comprimento de radiação . é a distância média sobre a qual um elétron de alta energia perde tudo, exceto 1 / e de sua energia por bremsstrahlung e 7/9 do caminho livre médio para a produção de pares por um fóton de alta energia. O comprimento da cascata é dimensionado com ; a "profundidade do chuveiro" é aproximadamente determinada pela relação ${\ displaystyle X_ {0}}$${\ displaystyle X_ {0}}$${\ displaystyle X_ {0}}$

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

onde é o comprimento da radiação da matéria, e é a energia crítica (a energia crítica pode ser definida como a energia em que as taxas de bremsstrahlung e ionização são iguais. Uma estimativa grosseira é ). A profundidade do chuveiro aumenta logaritmicamente com a energia, enquanto a propagação lateral do chuveiro se deve principalmente ao espalhamento múltiplo dos elétrons. Até o máximo do chuveiro, o chuveiro está contido em um cilindro com raio <1 comprimento de radiação. Além desse ponto, os elétrons são cada vez mais afetados por espalhamento múltiplo, e o tamanho lateral escala com o raio de Molière . A propagação dos fótons no chuveiro causa desvios da escala do raio de Molière. No entanto, cerca de 95% do chuveiro está contido lateralmente em um cilindro com raio . ${\ displaystyle X_ {0}}$${\ displaystyle E _ {\ mathrm {c}}}$${\ displaystyle E _ {\ mathrm {c}} = 800 \, \ mathrm {MeV} /(Z+1.2)}$ ${\ displaystyle R _ {\ mathrm {M}}}$${\ displaystyle 2R _ {\ mathrm {M}}}$

O perfil longitudinal médio da deposição de energia em cascatas eletromagnéticas é razoavelmente bem descrito por uma distribuição gama:

${\ displaystyle {\ frac {dE} {dt}} = E_ {0} b {\ frac {(bt) ^ {a-1} e ^ {- bt}} {\ Gamma (a)}}}$

onde , é a energia inicial e e são parâmetros que devem ser equipados com Monte Carlo ou dados experimentais. ${\ displaystyle t = X / X_ {0}}$${\ displaystyle E_ {0}}$${\ displaystyle a}$${\ displaystyle b}$

Chuveiros Hadrônicos

Os processos físicos que causam a propagação de uma chuva de hádrons são consideravelmente diferentes dos processos em chuveiros eletromagnéticos. Cerca de metade da energia hadrônica incidente é passada para secundários adicionais. O restante é consumido na produção de multipartículas de píons lentos e em outros processos. Os fenômenos que determinam o desenvolvimento das chuvas hadrônicas são: produção de hadrons, desexcitação nuclear e decaimentos de píons e múons. Os píons neutros somam, em média, 1/3 dos píons produzidos e sua energia é dissipada na forma de chuveiros eletromagnéticos. Outra característica importante do chuveiro hadrônico é que ele leva mais tempo para se desenvolver do que o eletromagnético. Isso pode ser visto comparando o número de partículas presentes versus profundidade para chuveiros iniciados por píons e elétrons. O desenvolvimento longitudinal de escalas de chuveiros hadrônicos com o comprimento de interação nuclear :

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

O desenvolvimento lateral do chuveiro não é escalonado com λ.

Análise teórica

Um modelo simples para a teoria em cascata de chuveiros eletrônicos pode ser formulado como um conjunto de equações diferenciais integro-parciais. Sejam Π (E, x) dE e Γ (E, x) dE o número de partículas e fótons com energia entre E e E + dE respectivamente (aqui x é a distância ao longo do material). Da mesma forma, seja γ (E, E ') dE' a probabilidade por comprimento de caminho unitário de um fóton de energia E produzir um elétron com energia entre E 'e E' + dE '. Finalmente, seja π (E, E ') dE' a probabilidade por comprimento de caminho unitário de um elétron de energia E emitir um fóton com energia entre E 'e E' + dE '. O conjunto de equações integro-diferenciais que governam Π e Γ são dados por

${\ displaystyle {\ begin {align} {\ frac {d \ Pi (E, x)} {dx}} & = 2 \ int _ {E} ^ {\ infty} \ Gamma (u, x) \ gamma ( u, E) du + \ int _ {E} ^ {\ infty} \ Pi (u, x) \ pi (u, uE) du- \ int _ {0} ^ {E} \ Pi (E, x) \ pi (E, Eu) du \\ {\ frac {d \ Gamma (E, x)} {dx}} & = \ int _ {E} ^ {\ infty} \ Pi (u, x) \ pi (u , E) du- \ int _ {0} ^ {E} \ Gamma (E, x) \ gamma (E, u) du. \ End {alinhado}}}$

γ e π são encontrados em para energias baixas e em para energias mais altas.

Exemplos

Os raios cósmicos atingem a atmosfera da Terra regularmente e produzem chuvas à medida que avançam pela atmosfera. Foi a partir dessas chuvas de ar que os primeiros múons e píons foram detectados experimentalmente, e eles são usados ​​hoje por uma série de experimentos como um meio de observar os raios cósmicos de ultra-alta energia . Alguns experimentos, como Fly's Eye , observaram a fluorescência atmosférica visível produzida no pico de intensidade do chuveiro; outros, como o experimento do Haverah Park , detectaram os restos de uma chuva por amostragem da energia depositada sobre uma grande área no solo.

Em detectores de partículas construídos em aceleradores de partículas de alta energia , um dispositivo chamado calorímetro registra a energia das partículas fazendo com que produzam uma chuva e medindo a energia depositada como resultado. Muitos detectores grandes e modernos têm um calorímetro eletromagnético e um calorímetro hadrônico , cada um projetado especialmente para produzir aquele tipo específico de chuveiro e medir a energia do tipo de partícula associado.

Veja também

• Chuva de ar (física) , uma extensa (muitos quilômetros de largura) cascata de partículas ionizadas e radiação eletromagnética produzida na atmosfera quando um raio cósmico primário (ou seja, um de origem extraterrestre) entra em nossa atmosfera.
• Projeto de matriz de telescópio
• Telescópio MAGIC Cherenkov
• Experiência Cherenkov em água de alta altitude
• Observatório Pierre Auger
• Calorímetros de experimento ATLAS
• Experimento CMS, calorímetros eletromagnéticos e hadrônicos
• Cascata de colisão , um conjunto de colisões entre átomos em um sólido

Referências

• "Passagem de partículas pela matéria" , de S. Eidelman; et al. (2004). "Review of Particle Physics" . Physics Letters B . 592 (1–4): 1–5. arXiv : astro-ph / 0406663 . Bibcode : 2004PhLB..592 .... 1P . doi : 10.1016 / j.physletb.2004.06.001 .