Una avalancha de electrones relativistas desbocada ( RREA ) es un crecimiento en avalancha de una población de electrones relativistas impulsados a través de un material (normalmente aire) por un campo eléctrico. Se ha planteado la hipótesis de que RREA está relacionada con la iniciación de rayos , [1] destellos de rayos gamma terrestres , [2] rayos de sprites , [3] y el desarrollo de chispas . [4] RREA es única ya que puede ocurrir en campos eléctricos de un orden de magnitud inferior a la rigidez dieléctrica del material.
Cuando se aplica un campo eléctrico a un material, los electrones libres se desplazarán lentamente a través del material, como se describe en la movilidad de los electrones . En el caso de los electrones de baja energía, las velocidades de desplazamiento más rápidas dan lugar a más interacciones con las partículas circundantes. Estas interacciones crean una forma de fricción que ralentiza a los electrones. Por lo tanto, en los casos de baja energía, las velocidades de los electrones tienden a estabilizarse.
A energías más altas, por encima de los 100 keV , estos eventos de colisión se vuelven menos comunes a medida que aumenta el camino libre medio del electrón. Por lo tanto, estos electrones de mayor energía experimentan menos fuerza de fricción a medida que aumenta su velocidad. En presencia del mismo campo eléctrico, estos electrones continuarán acelerándose, "escapando".
A medida que los electrones fugitivos obtienen energía de un campo eléctrico, ocasionalmente chocan con átomos del material, derribando electrones secundarios. Si los electrones secundarios también tienen suficiente energía para escapar, también se aceleran a energías altas, producen más electrones secundarios, etc. Por lo tanto, el número total de electrones energéticos crece exponencialmente en una avalancha.
La función de fricción dinámica, que se muestra en la Figura, tiene en cuenta únicamente las pérdidas de energía debidas a colisiones inelásticas y tiene un mínimo de ~216 keV/cm a una energía de electrones de ~1,23 MeV. Sin embargo, otros umbrales más útiles deben incluir también los efectos debidos a la pérdida de momento de electrones debido a colisiones elásticas. En ese caso, una estimación analítica [5] da un umbral de descontrol de ~282 keV/cm, que se produce a una energía de electrones de ~7 MeV. Este resultado concuerda aproximadamente con los números obtenidos a partir de simulaciones de Monte Carlo, de ~284 keV/cm [6] y 10 MeV, [7] respectivamente.
El mecanismo RREA descrito anteriormente solo describe el crecimiento de la avalancha. Se necesita un electrón energético inicial para iniciar el proceso. En el aire ambiente, estos electrones energéticos suelen provenir de rayos cósmicos . [8] En campos eléctricos muy fuertes, más fuertes que la fuerza de fricción máxima experimentada por los electrones, incluso los electrones de baja energía ("fríos" o "térmicos") pueden acelerarse hasta alcanzar energías relativistas, un proceso denominado "fuga térmica". [9]
Las avalanchas de RREA generalmente se mueven en dirección opuesta a la del campo eléctrico. Por lo tanto, después de que las avalanchas abandonan la región del campo eléctrico, las fuerzas de fricción dominan, los electrones pierden energía y el proceso se detiene. Sin embargo, existe la posibilidad de que los fotones o positrones producidos por la avalancha regresen al lugar donde comenzó la avalancha y puedan producir nuevas semillas para una segunda generación de avalanchas. Si la región del campo eléctrico es lo suficientemente grande, el número de avalanchas de segunda generación superará al número de avalanchas de primera generación y el número de avalanchas en sí crece exponencialmente. Esta avalancha de avalanchas puede producir poblaciones extremadamente grandes de electrones energéticos. Este proceso finalmente conduce a la descomposición del campo eléctrico por debajo del nivel en el que es posible la retroalimentación y, por lo tanto, actúa como un límite a la intensidad del campo eléctrico a gran escala. [6]
La gran población de electrones energéticos producidos en RREA producirá una población correspondientemente grande de fotones energéticos por bremsstrahlung . Estos fotones se proponen como la fuente de destellos de rayos gamma terrestres . Los grandes eventos RREA en tormentas eléctricas también pueden contribuir a dosis de radiación raras pero grandes para los vuelos de aerolíneas comerciales. [10] El físico estadounidense Joseph Dwyer acuñó el término " relámpago oscuro " para este fenómeno, [11] que todavía es objeto de investigación. [12]