입자샤워

입자물리학에서 샤워는 고에너지 입자가 밀도 물질과 상호작용을 한 결과 생성된 이차 입자의 계단식이다. 유입되는 입자는 적은 에너지로 여러 개의 새로운 입자를 생성하면서 상호작용을 한다. 그리고 나서 이 각각의 입자들은 같은 방식으로 수천, 수백만, 심지어 수십억 개의 저에너지 입자가 생성될 때까지 계속되는 과정을 상호작용을 한다. 그리고 나서 이것들은 그 문제에서 멈추고 흡수된다.^[1]

종류들

전자파 샤워의 시작.

샤워에는 두 가지 기본적인 종류가 있다. 전자파 샤워는 전자기력, 보통 광자 또는 전자에 의해 주로 또는 독점적으로 상호작용하는 입자에 의해 생성된다. 하드론 샤워는 하드론(즉, 쿼크로 만들어진 핵 및 기타 입자)에 의해 생성되며, 대부분 강한 핵력을 통해 진행된다.

전자파 샤워

전자파 샤워는 고에너지 전자, 양전자 또는 광자가 물질에 들어갈 때 시작된다. 높은 에너지(광전 효과와 콤프턴 산란이 지배적인 몇 MeV 이상)에서 광자는 주로 쌍 생산을 통해 물질과 상호작용한다. 즉, 그들은 탄력을 보존하기 위해 원자핵이나 전자와 상호작용하면서 전자-양전자 쌍으로 변환한다. 고에너지 전자와 양전자는 주로 광자를 방출하는데, 이것은 브렘스스트라훌룽이라고 불리는 과정이다. 이 두 가지 과정(공기생성 및 브렘스스트라흘룽)은 계속되어 광자가 쌍생성 문턱 아래로 떨어질 때까지 에너지가 감소하고, 브렘스스트라흘룽 이외의 전자의 에너지 손실이 지배하기 시작할 때까지 연속적으로 에너지를 감소시키는 입자로 이어진다. 이와 같은 관련 상호작용을 위해 통과된 물질의 특성 양을 방사선 $X_{0}$ X $X_{0}$ {\ $displaystyle X_{$ 0}라고 $X_{0}$ $X_{0}$ $X_{0}$ 0 $X_{0}$ {\ $displaystyle X_{0}}$ 은 고에너지 전자가 브림스스트라흘룽에 의해 에너지의 1/e를 제외한 모든 것을 손실하는 평균 거리 및 a에 의한 쌍 생산을 위한 평균 자유 경로의 7/9이다 $X_{0}$ . 고에너지 광자 $X_{0}$ $X_{0}$ ${\$ 의 계단식 눈금 길이; $X_{0}$ "샤워 깊이"는 관계에 의해 대략적으로 결정된다.

X=X_{0}{\frac {\ln(E_{0}/E_{\mathrm {c}}}}{\ln2}},

여기서 $X_{0}$ ${\$ 는 $X_{0}$ 물질의 방사선 길이, $E_{\mathrm {c} }$ $E_{\mathrm {c} }$ ${\$ 는 $E_{{\mathrm {c}}}$ 임계 에너지(임계 에너지는 브림스트라흘룽과 이온화 비율이 동일한 에너지로 정의할 수 있다. 대략적인 추정치는 $E_{\mathrm {c} }=800\,\mathrm {MeV} /(Z+1.2)$ $E_{\mathrm {c} }=800\,\mathrm {MeV} /(Z+1.2)$ = $E_{\mathrm {c} }=800\,\mathrm {MeV} /(Z+1.2)$ M $E_{\mathrm {c} }=800\,\mathrm {MeV} /(Z+1.2)$ $E_{\mathrm {c} }=800\,\mathrm {MeV} /(Z+1.2)$ / $E_{\mathrm {c} }=800\,\mathrm {MeV} /(Z+1.2)$ ( Z $E_{\mathrm {c} }=800\,\mathrm {MeV} /(Z+1.2)$ + $E_{\mathrm {c} }=800\,\mathrm {MeV} /(Z+1.2)$ . $E_{\mathrm {c} }=800\,\mathrm {MeV} /(Z+1.2)$ ) $E_{\mathrm {c} }=800\,\mathrm {MeV} /(Z+1.2)$ 이다. $E_{\mathrm {c} }=800\,\mathrm {MeV} /(Z+1.2)$ 샤워 깊이는 에너지에 따라 로그로 증가하며 샤워기의 측면 확산은 주로 전자의 다중 산란 때문이다. 최대 샤워기까지 샤워기는 반지름이 1 방사선 길이인 실린더에 포함된다. 그 지점을 넘어서 전자는 다중 산란으로 인해 점점 더 영향을 받고 있으며, 가로 크기 척도는 몰리에르 반지름 $R_{\mathrm {M} }$ M ${\$ 샤워기에서 광자가 전파되면 몰리에르 반지름 스케일링에서 편차가 발생한다. 그러나 샤워기의 약 95%는 반지름 2 $2R_{\mathrm {M} }$ $[\$ 가) 있는 실린더에 횡방향으로 포함되어 있다 $2R_{\mathrm {M} }$

전자기 계단식 에너지 증착의 평균 종단면은 감마 분포로 합리적으로 잘 설명된다.

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

여기서 $t=X/X_{0}$ = $t=X/X_{0}$ / $t=X/X_{0}$ $t=X/X_{0}$ ${\$ $E_{0}$ $E_{0}$ ${\$ 은 $E_{0}$ 초기 에너지이며 $a$ 및 $b$ $b$ 은 몬테카를로 또는 실험 데이터에 적합해야 하는 매개 변수다 $b$ .

해드론 소나기

하드론 샤워의 전파를 일으키는 물리적 과정은 전자파 샤워의 프로세스와는 상당히 다르다. 사건 하드론 에너지의 약 절반은 추가 2차로 전달된다. 나머지는 느린 심온의 다중문자 생산과 다른 공정에서 소비된다. 해드론 샤워기의 발전을 결정하는 현상들은 하드론 생산, 핵 흥분 제거 그리고 파이온과 뮤온 디케이이다. 중성 피온은 평균적으로 생산된 피온의 1/3에 이르며 그 에너지는 전자파 샤워의 형태로 소멸된다. 해드론 샤워의 또 다른 중요한 특징은 전자기 샤워보다 발육에 시간이 더 오래 걸린다는 것이다. 이는 파이온과 전자 시작 샤워기의 존재하는 입자 수와 깊이를 비교함으로써 알 수 있다. 핵 상호작용 길이에 따른 전자 샤워기의 세로방향 개발:

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

측면 샤워 발달은 λ으로 스케일링하지 않는다.^{[citation needed]}

이론적 분석

전자 샤워기의 계단식 이론에 대한 간단한 모델은 내부 부분 미분 방정식의 집합으로 공식화될 수 있다.^[2] π (E,x) dE와 γ (E,x) dE를 각각 E와 E+dE 사이에 에너지가 있는 입자와 광자의 수(여기 x는 물질을 따라 이동하는 거리)로 한다. 마찬가지로 에너지 E의 광자가 E'와 E'+dE' 사이에 에너지를 가진 전자를 생성하기 위해 path(E,E')dE'를 단위 경로 길이당 확률로 한다. 마지막으로 e(E,E')dE'를 에너지 E의 전자가 E'와 E'+dE' 사이에 에너지를 가진 광자를 방출할 수 있는 단위 경로 길이당 확률로 한다. π과 γ을 지배하는 정수차 방정식의 집합은 다음과 같다.

{\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{정렬}}

γ과 π은 낮은 에너지는 에서^[3], 높은 에너지는 에서^[4] 찾을 수 있다.

예

우주선은 정기적으로 지구의 대기를 강타하고, 대기를 통해 진행되면서 소나기가 내린다. 최초의 뮤온과 피온이 실험적으로 검출된 것은 이러한 공기 샤워에서 비롯되었으며, 그것들은 오늘날 초고 에너지 우주선을 관측하는 수단으로 여러 실험에 의해 사용되고 있다. Fly's Eye와 같은 몇몇 실험들은 샤워의 최고 강도로 생성된 가시적인 대기 형광을 관찰했고, Haverah Park 실험과 같은 다른 실험들은 지상의 넓은 지역에 축적된 에너지를 샘플링하여 샤워기의 잔해를 발견했다.

고에너지 입자 가속기에 구축된 입자 검출기에서 칼로리계라는 장치는 입자가 샤워를 하게 한 다음 그 결과로 축적된 에너지를 측정함으로써 입자의 에너지를 기록한다. 많은 대형 현대식 검출기에는 전자파 열량계와 해드론 열량계가 둘 다 있으며, 각각 그러한 종류의 샤워기를 생산하고 관련 입자 유형의 에너지를 측정하도록 특별히 설계되어 있다.

참고 항목

공기 샤워(물리학), 1차 우주선(즉, 외계로부터 온 것 중 하나)이 우리 대기로 들어올 때 대기에서 생성되는 광대한 (수 킬로미터 폭의) 이온화 입자 폭포와 전자기 방사.
망원경 배열 프로젝트
매직 체렌코프 망원경
고고도 물 체렌코프 실험
피에르 오거 천문대
ATLAS 실험 칼로미터
CMS 실험, 전자기 및 해드론 열량계
충돌 캐스케이드, 고체에서 원자 사이의 일련의 충돌

참조

^ Köhn, C, Ebert, U., 1 MeV 이하의 에너지로 전자가 생성하는 공기 중의 이온화 샤워의 구조, Plasma Source Sci. 테크놀. (2014), 제23권, 제045001호
^ Landau, L; Rumer, G (1938). "The Cascade Theory of Electronic Showers". Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 166 (925): 213–228. Bibcode:1938RSPSA.166..213L. doi:10.1098/rspa.1938.0088.
^ Bethe, H; Heitler, W (1934). "On the Stopping of Fast Particles and on the Creation of Positive Electrons". Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 146 (856): 83–112. Bibcode:1934RSPSA.146...83B. doi:10.1098/rspa.1934.0140.
^ Migdal, A. B (1956). "Bremsstrahlung and Pair Production in Condensed Media at High Energies". Physical Review. 103 (6): 1811–1820. Bibcode:1956PhRv..103.1811M. doi:10.1103/PhysRev.103.1811.

"물질을 통한 입자의 통과"에서,

[1] Köhn, C, Ebert, U., 1 MeV 이하의 에너지로 전자가 생성하는 공기 중의 이온화 샤워의 구조, Plasma Source Sci. 테크놀. (2014), 제23권, 제045001호

[2] Landau, L; Rumer, G (1938). "The Cascade Theory of Electronic Showers". Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 166 (925): 213–228. Bibcode:1938RSPSA.166..213L. doi:10.1098/rspa.1938.0088.

[3] Bethe, H; Heitler, W (1934). "On the Stopping of Fast Particles and on the Creation of Positive Electrons". Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 146 (856): 83–112. Bibcode:1934RSPSA.146...83B. doi:10.1098/rspa.1934.0140.

[4] Migdal, A. B (1956). "Bremsstrahlung and Pair Production in Condensed Media at High Energies". Physical Review. 103 (6): 1811–1820. Bibcode:1956PhRv..103.1811M. doi:10.1103/PhysRev.103.1811.

[1]

[2]

[3]

[4]

Search

입자샤워

네임스페이스

더

목차

종류들

전자파 샤워

해드론 소나기

이론적 분석

예

참고 항목

참조