공기 샤워(물리학)

공기 샤워는 아원자 입자와 이온화된 핵의 광범위한 캐스케이드로, 1차 우주선이 대기로 들어올 때 대기에서 생성됩니다.양성자, 핵, 전자, 광자 또는 (거의) 양전자일 수 있는 우주 방사선의 입자가 대기 중의 분자의 핵과 상호 작용할 때, 샤워를 구성하는 방대한 수의 2차 입자를 생성합니다.캐스케이드의 첫 번째 상호 작용에서 특히 강입자(대부분 파이온과 카온과 같은 가벼운 중간자)가 생성되고 공기 중에서 빠르게 붕괴되어 샤워 구성 요소의 일부인 다른 입자와 전자기 방사선을 생성합니다.우주선의 에너지에 따라, 샤워의 감지 가능한 크기는 직경이 수 킬로미터에 이를 수 있습니다.

우주 방사선으로부터 흡수된 이온화 방사선은 뮤온, 중성자, 전자에서 주로 나오며, 선량률은 세계의 다른 지역에 따라 다르며, 주로 지자기장, 고도 및 태양 주기에 기초합니다.항공사 승무원들은 지자기장에 의한 차폐가 최소인 높은 고도에서 북극이나 남극에 가깝게 가는 비행 경로를 일상적으로 작업하면 우주선으로부터 더 많은 방사선에 노출됩니다.

공기 샤워 현상은 1933년 브루노 로시에 의해 실험실 실험에서 알게 모르게 발견되었습니다.1937년 피에르 오거는 로시의 이전 보고서를 알지 못한 채 동일한 현상을 감지하고 자세히 조사했습니다.그는 우주선 입자가 극도로 높은 에너지를 가지고 있고 대기 중 높은 곳의 핵과 상호 작용하여 아원자 입자의 광범위한 소나기를 생성하는 2차 상호 작용의 캐스케이드를 시작한다고 결론을 내렸습니다.

오늘날 광범위한 공기 샤워를 감지하는 가장 중요한 실험은 망원경 배열 프로젝트와 피에르 오거 천문대입니다.후자는 아르헨티나 사막의 3,000km² 면적에 걸쳐 4개의 형광 검출기 건물과 1600개의 표면 검출기 스테이션으로 운영되는 지금까지 건설된 우주선 관측소 중 가장 큰 규모입니다.

역사

1933년, 빅토르 헤스가 우주 방사선을 발견한 직후, 브루노^[3] 로시는 피렌체의 물리학 연구소에서 차폐 가이거 계수기를 사용하여 우주 방사선의 투과 특성을 확인하는 실험을 수행했습니다.그는 두 개가 서로 옆에 배치되고 세 번째가 추가 차폐로 중앙에 배치된 세 개의 카운터를 포함하여 가이거 카운터의 다른 배열을 사용했습니다.가이거 계수기를 통과하는 공기-샤워 입자가 우연히 검출된 것으로부터, 그는 자신이 측정한 입자가 뮤온인 줄 모르고 실험실 옥상뿐만 아니라 첫 번째 차폐층에서 우주선에 의해 2차 입자가 생성되고 있다고 가정했습니다.그것들은 공기 샤워기에서 생산되고 3년 후에야 발견될 것입니다.그는 또한 60$$µ\$displaystyle$ 60$^{\circ$ ${\displaystyle {\mathrm{미만}}^{}}$의 천정각에서 감지되는 우주선의 경우 일치율이 크게 떨어진다고 지적했습니다. 1936년 하이델베르크에서 ^[4]힐게르트와 보테에 의해 비슷한 실험이 수행되었습니다.

1939년에 피에르 오거는 세 명의 동료와 함께 대기 중의 우주선에 의해 2차 입자가 생성된다는 것을 제안했고, 해발 3500m의 융프라우호흐와 피크 뒤 미디에서 차폐 섬광기와 윌슨 챔버를 사용한 실험을 수행했다해발 $($ 2900$\,$ {\$text{m}})$의 고도.^[5]그들은 탐지기의 거리가 증가함에 따라 우연의 비율이 감소하지만 높은 고도에서도 사라지지 않는다는 것을 발견했습니다.따라서 우주선이 대기 중 2차 입자의 공기 샤워를 생성한다는 것을 확인합니다.그들은 이 현상의 일차 입자가 최대 ${\displaystyle {1015}^{}}$ ${\displaystyle eV{}^{}}$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle 1}$ $($ 스타일 10^{15$}\$displaystyle $10$$^{15$}\,{\$text{$e$V}=1\,{\text{PeV$

양자 이론에 기초하여, 공기 샤워에 대한 이론적인 연구는 1935년과 1940년 사이에 핵장에서 고에너지 감마선이 전자와 양전자의 쌍 생성을 겪을 것이라고 가정하면서 당시의 많은 유명한 물리학자들에 의해 수행되었습니다.전자와 양전자는 방사선에 의해 감마선을 생성합니다.^{[6] [7] [8] [9]} 많은 주요 인사들이 맨하탄 프로젝트에 참여했기 때문에 광범위한 공기 샤워에 대한 작업은 주로 전쟁 이후에 계속되었습니다.1950년대에, 일본 과학자 카마타 코이치와 니시무라 준에 의해 공기 샤워에서 전자기 입자의 측면과 각도 구조가 계산되었습니다.^[10]

1955년, 일차 우주선의 도착 방향을 감지하기에 충분한 정밀도로 공기 샤워를 감지하는 최초의 표면 감지기 어레이가 MIT의 아가시즈 스테이션에 구축되었습니다.^[11] Agassiz 배열은 $직경$ $({\$displaystyle 460$\,{\text{m}})$의 원형 배열로 배열된 16개의 플라스틱 섬광기로 구성되었습니다.그러나 우주선의 도착 방향에 대한 실험 결과는 결론적이지 않습니다.

1959년 존 린슬리에 의해 건설되고 운영된 화산 랜치 실험은 초고에너지 ^[12]우주선을 탐지하기에 충분한 크기의 최초의 표면 탐지기 배열이었습니다.1962년, ${\displaystyle {1020}^{}}$의 ${\displaystyle {\mathrm{에너지}}^{}}$를 가진 최초의 우주선, ${\text{e$}$V}}$이(가) 보고되었습니다.수 킬로미터의 발자국을 가진 지상의 샤워기 크기는 이전에 기록된 어떤 사건보다 두 배나 컸고, 샤워기에서 대략 5$×$ ${\displaystyle {10}^{}}$ $10 \$ $times 10^{10$$}$ 입자를 $생성$했습니다.게다가, 지상에서 감지된 입자의 측면 분포는 카마타와 니시무라에 의해 도출된 구조 함수의 케네스 그리젠 근사치와 일치했습니다.

광범위한 공기 샤워에 대한 새로운 탐지 기술은 1965년 Greisen에 의해 제안되었습니다.그는 샤워 입자의 체렌코프 복사와 대기 중의 들뜬 질소 분자에 의해 생성되는 형광 빛을 직접 관찰할 것을 제안했습니다.이러한 방식으로 대기 중 소나기의 종방향 발달을 측정할 수 있습니다.이 방법은 1977년 Volcano Ranch에서 67개의 광학 모듈을 사용하여 처음으로 성공적으로 적용되었고 보고되었습니다.^[14] Volcano Ranch는 자금 부족으로 곧 운영을 마쳤습니다.

KASCADE, AGASA 및 HERS를 포함한 많은 에어샤워 실험이 그 후 수십 년 동안 계속되었습니다. 1994년, 후자는 이론적으로 예상되는 스펙트럼 차단 이상의 에너지를 가진 초고에너지 우주선을 감지했다고 보고했습니다.^[15] 우주선의 에어 샤워는 플라이 아이 형광 검출기 시스템에 의해 감지되었으며 최대 약 2,400억 개의 입자를 포함하는 것으로 추정되었습니다.이는 약 $3{\displaystyle .2}$× ${\displaystyle {10}^{}}$ ${\displaystyle \text{20}}$eV의 우주선에 대한 1차 에너지에 해당합니다({$displaystyle$ 3$.2\times$ 10$^{20}{\text{e$).$V$ 현재까지 더 큰 에너지를 가진 단일 입자는 기록되지 않았습니다.그러므로 그것은 오마이갓 입자라고 공개적으로 언급됩니다.

에어샤워 형성

대기권에 진입한 직후, 1차 우주선(다음에서 양성자 또는 핵으로 가정됨)은 대기권의 핵과 상호 작용하여 샤워 코어 - 1차 우주선의 확장된 궤도를 따라 발달하는 고에너지 강입자 영역,대기 또는 지면에 의해 완전히 흡수될 때까지.샤워 코어에서 입자의 상호 작용과 붕괴는 샤워의 주요 입자 구성 요소인 강입자, 뮤온 및 순수한 전자기 입자를 공급합니다.샤워기의 하드로닉 부분은 대부분 파이온과 카온,${\displaystyle$ \$varrho}$^[16][17] 중간자와$$ 같은 일부 더 무거운 중간자로 구성됩니다.

중성 파이온, ${\displaystyle {\sigma \mathrm{}}^{}}$ 0${{displaystyle$ \pi$^{0$은 전자기 상호 작용에 의해 반대로 회전하는 광자 쌍으로 붕괴하여 샤워의 전자기 구성 요소에 연료를 공급합니다.전하를 띤 파이온${\displaystyle {,}^{}}$ $\gamma {\displaystyle {}^{}}$±{{\$displaystyle \pi$^{\$pm$}}은 약한 상호 작용을 통해 뮤온과 (반)중성미자로 우선적으로 붕괴합니다.전하를 띤 카온과 중성 카온에서도 마찬가지입니다.게다가, 카온은 또한 ^[17]파이온을 생산합니다.파이온과 카온 붕괴로 인한 중성미자는 단면이 매우 낮기 때문에 일반적으로 소나기의 일부로 설명되지 않으며, 소나기의 보이지 않는 에너지의 일부로 언급됩니다.

질적으로 샤워의 입자 함량은 샤워의 모든 상호 작용에 참여하는 모든 입자가 사용 가능한 ^[18]에너지를 동등하게 공유하는 단순화된 모델로 설명할 수 있습니다.각 강입자 상호작용에서 $({$의 전하 파이온과 $({$의 중성 파이온이 $생성$된다고 가정할 수 있습니다.중성 파이온은 광자로 붕괴하여 샤워기의 전자기 부분에 연료를 공급합니다.하전된 파이온은 계속해서 강입자적으로 상호작용합니다.n${displaystyle$ n$}$ 상호작용$$ 후, $강입자{\displaystyle }$ 성분에 축적된 일차 ${\displaystyle {에너지\mathrm{}}_{}}$ E0$({$의 몫은 다음과 같이 주어진다.

${\displaystyle E_{}}$ ${\displaystyle {\pi }_{}}$ $=$ (${\displaystyle {\frac{23}{})}^{}}$ ${\displaystyle {}^{}{}_{}}$ ${\displaystyle {E\mathrm{}}_{}}$0({\$displaystyle E_{\pi }=\left({\$frac${2}{3$}}\right)^{n}E_${0$

따라서 전자기적인 부분은 대략적으로 전달됩니다.

$=$$^{n}\right)$$E_{0$

따라서 ${$$displaystyle$ n$}$세대의$$ 파이온은 ${\displaystyle {E0\mathrm{}}_{}{}_{}}$ (${\displaystyle {\text{3Nch}}_{}}$/${\displaystyle {}^{}2\mathrm{}}$ )$n$의 에너지를 전달합니다.반응은 파이온이 임계 에너지 ${\displaystyle {\delta }_{}^{}}$ $≃$에 도달할 때까지 계속되며,$이 때 파이온은 뮤온$으로 붕괴합니다$.$따라서, 총

${\displaystyle n_{\text{c}}=\left\lceil {\frac \left(E_{0}/\epsilon_{\text{c}}^{\pi}\right)}{\displaystyle \text\text{ch}\rceil}}{\right}}}}$

상호 작용이 예상되고 총 (Nch) n c = (E0 / ϵ c π ) β{\text{ch}}^{n_{\text{c}}=(E_{0}/\epsilon_{\text{c}}^{\pi}}^{\text}}}}^{\text}}} 뮤온이 생성되며, 베타 = ln = ln ⁡ nch / lntext {ntext}{text}{ntype}{type}(3}{ntext}{type}{n.캐스케이드의 전자기 부분은 제동력과 쌍생성에 의해 발달합니다.단순성을 위해, 광자, 전자, 그리고 양전자는 종종 샤워에서 동등한 입자로 취급됩니다.전자기 캐스케이드는 입자가 ${\displaystyle {}_{}^{}}$ ${\displaystyle {}_{}^{}}$ ${\displaystyle \text{87}}$ MeV의 임계 에너지에 도달할 때까지 계속되며, 입자는 대기 중의 분자와 함께 산란하여 대부분의 에너지를 잃기전 캐스케이드는 입자가 ${\displaystyle {\gamma }_{}^{}}$ ▁87 87 MeV$($디스플레이 $스타일$ \$epsilon_${\$text{c}^{\$gamma}\$simq$87$\,{\text{MeV$소나기에서 생성되는 전자기 입자의 수에 대한 적절한 근사치는 N γ E 0 / GeV ({\gamma } \simeq E_{0} / {\text{GeV})이다. 각 전자기 상호 작용이 평균 방사 길이 X 0 ≃ 37 g / 2 cm 이후에 발생한다고 가정하면 ({0} \text{g/{cm}) {\text}^2},샤워기는 대략의 깊이에서 최대에 도달할 것입니다.

${\displaystyle {\text{Xmax}}_{}}$ ${\displaystyle \simeq }$ ${\displaystyle {X\mathrm{}}_{}}$1 + ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle \ln }$ ${\displaystyle }$ (${\displaystyle \frac{{E\mathrm{}}_{}}{}}$ 0 $)$ \$displaystyle$ X_${\text{max}}\simeq$ X_${1}+X_{0}\ln \left({\frac {E_{0}}}{\text{GeV}}}\right$

$여기$서 $({$은 대기에서 우주선의 첫 번째 상호작용 깊이로 가정됩니다.그러나 이 근사치는 모든 유형의 일차 입자에 대해 정확하지 않습니다.

탐지

원래의 입자는 높은 에너지와 함께 도착하기 때문에 빛의 속도에 가까운 속도로 도달하기 때문에 충돌의 생성물은 일반적으로 1차 입자와 같은 방향으로 이동하는 경향이 있으며 어느 정도 측면으로 확산됩니다.또한, 2차 입자는 체렌코프 효과와 질소 분자의 들뜸에서 등방성으로 방출되는 형광 빛으로 인해 전방 방향으로 광범위한 섬광을 생성합니다.입자 캐스케이드와 대기에서 생성된 빛은 표면 검출기 배열과 광학 망원경으로 감지할 수 있습니다.표면 검출기는 일반적으로 지면 수준에서 하전된 2차 입자를 검출하기 위해 체렌코프 검출기 또는 섬광 계수기를 사용합니다.형광과 체렌코프 빛을 측정하는 데 사용되는 망원경은 큰 거울을 사용하여 빛을 PMT 클러스터에 초점을 맞춥니다.마지막으로, 공기 샤워는 지자기장에 의한 전자와 양전자의 편향으로 인해 전파를 방출합니다.광학 기술보다 장점으로, 어둡고 맑은 밤에만 무선 탐지가 24시간 가능합니다.따라서 TAIGA, LOFAR 또는 Pierre Auger Observatory와 같은 몇몇 현대 실험은 입자 검출기 및 광학 기술 외에도 무선 안테나를 사용합니다.

하전 입자의 수에 대한 종방향 프로파일은 Gaisser에 의해 매개변수화될 수 있습니다.힐라스 함수.

참고 항목

• 우주선 관측소

레퍼런스

외부 링크

• 광범위한 공기 샤워.
• 버클랜드 파크 에어 샤워 감지기
• 하베라 공원 감지 시스템
• 고저항 검출기 시스템
• 피에르 오제 천문대
• HiSPARC(고등학교 우주론 연구 프로젝트)
• 아이레스(AIRshower Extended Simulations): 아르헨티나 라플라타 대학교 물리학과의 세르히오 시우토가 우주선 샤워를 시뮬레이션하기 위한 크고 잘 문서화된 포트란 패키지.
• 코르시카, 코르시카: 독일, 포중젠트럼 카를스루에의 디터 헥의 우주선 공기 샤워 시뮬레이션의 또 다른 코드.
• 코스무스: 여러 우주선 공기 샤워의 대화형 애니메이션 3D 모델과 아이레스 시뮬레이션을 사용하여 직접 만드는 방법에 대한 지침.시카고 대학의 코스모스 그룹에서 왔습니다.
• Milagro Animations: 에어 샤워가 Milagro 탐지기와 어떻게 상호 작용하는지 보여주는 영화 및 만드는 방법에 대한 지침.미겔 모랄레스의 작품.
• CASSIM 애니메이션: 뉴욕 대학교의 하조 드레슐러의 다양한 우주선 공기 샤워 애니메이션.
• SPASE2 실험 : South-Pole Air Shower Experiment (SPAASE).
• 감마 실험 : 고산 공기 샤워 실험.