Введение

Дополнительные частицы от столкновения частиц. В физике частиц, ливень – это каскад вторичных частиц, возникающий в результате взаимодействия высокоэнергетической частицы с плотным веществом. Входящая частица взаимодействует, порождая множество новых частиц с меньшей энергией; каждая из них затем взаимодействует аналогичным образом, и этот процесс продолжается до тех пор, пока не образуются тысячи, миллионы или даже миллиарды частиц с низкой энергией. Эти частицы затем останавливаются в веществе и поглощаются.

Типы

Существует два основных типа ливней. Электромагнитные ливни создаются частицей, взаимодействующей преимущественно или исключительно посредством электромагнитного взаимодействия, как правило, фотоном или электроном. Адронные ливни производятся адронами (то есть нуклонами и другими частицами, состоящими из кварков) и развиваются в основном за счет сильного ядерного взаимодействия.

Адронные дожди

Физические процессы, вызывающие развитие адронного каскада, существенно отличаются от процессов в электромагнитных каскадах. Около половины энергии падающего адрона передается дополнительным вторичным частицам. Остальная энергия расходуется на многочастичное производство медленных пионов и другие процессы. Феномены, определяющие развитие адронных каскадов: рождение адронов, дезэкситация ядер и распады пионов и мюонов. Нейтральные пионы составляют в среднем 1/3 от всех рожденных пионов, и их энергия рассеивается в форме электромагнитных каскадов. Важной характеристикой адронного каскада является также то, что он развивается медленнее, чем электромагнитный. Это можно увидеть, сравнивая зависимость числа частиц от глубины для каскадов, инициированных пионами и электронами. Продольное развитие адронных каскадов масштабируется с длиной ядерного взаимодействия:

Развитие бокового каскада не масштабируется с λ.

Теоретический анализ

Простая модель каскадной теории электронных ливней может быть сформулирована как набор интегро-дифференциальных уравнений. Пусть Π(E,x) dE и Γ(E,x) dE – число частиц и фотонов с энергией между E и E+dE соответственно (здесь x – расстояние вдоль вещества). Аналогично, пусть γ(E,E')dE' будет вероятностью на единицу длины пути для фотона с энергией E породить 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'. Набор интегро-дифференциальных уравнений, определяющих Π и Γ, задается

γ и π определяются в для низких энергий и в для высоких энергий.

Примеры

Космические лучи регулярно достигают атмосферы Земли, порождая каскады при прохождении через неё. Именно в этих атмосферных каскадах впервые экспериментально были обнаружены мюоны и пионы, и сегодня они используются в ряде экспериментов для наблюдения за космическими лучами ультравысоких энергий. Некоторые эксперименты, такие как Fly's Eye, наблюдают видимую атмосферную флуоресценцию, возникающую в точке максимального развития каскада; другие, например, эксперимент Haverah Park, регистрируют остатки каскада, измеряя энергию, отложенную на большой площади поверхности Земли. В детекторах частиц, созданных для ускорителей высоких энергий, устройство, называемое калориметром, измеряет энергию частиц, вызывая в них развитие каскада и затем измеряя энергию, выделяющуюся в результате. Многие современные крупные детекторы оснащены как электромагнитным, так и адронным калориметрами, каждый из которых специально разработан для генерации определённого типа каскада и измерения энергии соответствующего типа частиц.