Космічні Радіаційні Повені: Одна Частинка, Міліон-кратний Каскад

Один протон, мільйон частинок

Одиночний космічний протон, що вдаряється у верхні шари атмосфери з енергією 10^19 еВ або більше (енергії, значно перевищуючи ті, які досягаються на земних прискорювачах), не просто тихо віддає свою енергію. Він стикається з ядром, і це зіткнення запускає шалену каскаду – розповсюджений повітряний спалах – який може поширити мільйони вторинних частинок на площі багатьох квадратних кілометрів до того, як він досягне землі. Один первинний заряд перетворюється на спалах, який можна виявити за допомогою масиву наземних станцій на відстані кількох кілометрів одна від одної, усі спрацьовані в той же мілісекунду.

Модель іграшки Хайтеля

Не потрібно повноцінної машини квантової електродинаміки, щоб зрозуміти форму каскаду – проста модель, розроблена Вальтером Хайтером у 1954 році, захоплює сутність фізики електромагнітної частини дощу. Припустимо, що кожне частинка в каскаді рухається на фіксовану радіаційну довжину та ділиться на дві частинки, кожна з яких несе половину енергії батьківської частинки:

після n радіаційних довжин: N(n) = 2^n частинок, кожна з енергією E(n) = E0 / 2^n каскад припиняє зростання, коли E(n) падає нижче критичної енергії Ec (~85 МеВ у повітрі для електронів) кількість поколінь, щоб досягти Ec: n_max = log2(E0 / Ec) пікове число частинок: N_max = E0 / Ec Розділення чергується між двома фізичними процесами. Високоенергетичне фотон біля ядра перетворюється на пару електрон-позитрон (утворення пари); високоенергетичний електрон або позитрон випромінює фотон, коли відхиляється полем ядра (бремахстрування). Кожний процес приблизно ділить енергію навпіл і подвоює кількість частинок, покоління за поколінням, точно так само як і модель каскаду – каскад множиться до тих пір, поки енергія частинок не падає нижче критичної енергії, близько 85 МеВ для електронів у повітрі, нижче якої іонізаційні втрати переважають над випромінювальними та каскад припиняє множення і замість цього поглинається.

after n radiation lengths:  N(n) = 2^n particles,  each with energy  E(n) = E0 / 2^n
shower stops growing when  E(n) falls below the critical energy Ec (~85 MeV in air for electrons)
number of generations to reach Ec:   n_max = log2(E0 / Ec)
peak particle count:                 N_max = E0 / Ec

Чому основна частинка має значення: адзонні розбійні потоки

Основна частинка космічного випромінювання зазвичай є протоном або важчим ядром, а не фотоном чи електроном, тому перші взаємодії є адзонними, а не електромагнітними. Протон стикається з атомним ядром азоту або кисню і утворює розпилення піонів (та деяких кауонів) – приблизно третина нейтральних піонів, дві третини заряджених. Нейтральні піони майже миттєво розпадаються (час життя близько 8,4x10^-17 с) на два фотони, pi0 -> гамма + гамма, що живить електромагнітний (Гейтерівський) ланцюговий процес, описаний вище і в кінцевому підсумку несе більшу частину енергії розбійного потоку. Заряджені піони замість цього розпадаються на мюони та нейтрино, pi± -> мю± + ню, з набагато довшим часом життя (26 нс, ще більше розтягнутим відносною затримкою часу при цих енергіях), тому багато з них виживають і досягають землі як окремий, високопроникний м'юонний компонент розбійного потоку.

Максимальний потік та глибина першого зіткнення

Потік частинок збільшується, досягає піку на певній глибині, яка називається X_max, і потім падає, оскільки поглинання в атмосфері перевищує нові утворення частинок. X_max зростає логарифмічно з енергією основного зарядженого часток і систематично менша (відбувається вище) для важчого основного ядра тієї ж загальної енергії, оскільки енергія розподіляється між більшою кількістю нуклонів під час першого зіткнення, тому кожне під-потік, що починається від нуклона, досягає свого ліміту Хайтеля швидше. Вимірювання статистичного розподілу X_max у багатьох потоках є одним з основних інструментів, які використовують астрофізики для того, щоб зробити висновок, чи домінують в ультрависокоенергетичних космічних променях легкі ядра (протони) або важкі (залізо) – відкрите питання в цій галузі, оскільки ми все ще не знаємо напевно, які частинки прискорюють до цих екстремальних енергій і звідки вони походять.

Обнаружение их с земли

На самых высоких энергиях электромагнитный компонент грозы слишком слаб, чтобы его можно было обнаружить в море при достижении уровня моря, поэтому обсерватории полагаются на два дополнительных метода обнаружения. Наземные массивы детекторов частиц, такие как 1660 резервуаров из воды-Черенкова, расположенных на площади 3000 квадратных километров в рамках обсерватории «Пьер Огю» в Аргентине, напрямую отбирают плотность частиц и фронт времени прибытия грозы. Флуоресцентные телескопы вместо этого наблюдают, в ясные безлунные ночи, слабое ультрафиолетовое флуоресценцию, излучаемое молекулами азота, возбуждаемыми грозой, по мере ее развития через атмосферу, что позволяет восстановить полный лонгитудинальный профиль - включая X_max - в одном изображении. Объединяя оба метода, «гибридное» обнаружение дает наилучшие измерения энергии и состава.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Cosmic Ray Air Shower і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.