En física de partículas , una lluvia es una cascada de partículas secundarias producida como resultado de la interacción de una partícula de alta energía con materia densa. La partícula entrante interactúa, produciendo múltiples partículas nuevas con menor energía; Luego, cada uno de ellos interactúa, de la misma manera, en un proceso que continúa hasta que se producen muchos miles, millones o incluso miles de millones de partículas de baja energía. Estos luego son detenidos en la materia y absorbidos. [1]
Hay dos tipos básicos de duchas. Las lluvias electromagnéticas son producidas por una partícula que interactúa principal o exclusivamente a través de la fuerza electromagnética , normalmente un fotón o un electrón . Las lluvias hadrónicas son producidas por hadrones (es decir, nucleones y otras partículas formadas por quarks ) y se producen principalmente a través de la fuerza nuclear fuerte .
Una lluvia electromagnética comienza cuando un electrón, positrón o fotón de alta energía ingresa a un material. A altas energías (por encima de unos pocos MeV ), en las que el efecto fotoeléctrico y la dispersión Compton son insignificantes, los fotones interactúan con la materia principalmente a través de la producción de pares , es decir, se convierten en un par electrón - positrón , interactuando con un núcleo atómico o un electrón en para conservar el impulso . Los electrones y positrones de alta energía emiten principalmente fotones, un proceso llamado bremsstrahlung . Estos dos procesos (producción de pares y bremsstrahlung) continúan, lo que lleva a una cascada de partículas de energía decreciente hasta que los fotones caen por debajo del umbral de producción de pares y las pérdidas de energía de electrones distintos de la bremsstrahlung comienzan a dominar. La cantidad característica de materia atravesada por estas interacciones relacionadas se llama longitud de radiación . es tanto la distancia media sobre la cual un electrón de alta energía pierde todo menos 1/e de su energía por bremsstrahlung como 7/9 del camino libre medio para la producción de pares por un fotón de alta energía. La longitud de la cascada escala con ; la "profundidad de la ducha" está determinada aproximadamente por la relación
donde es la longitud de radiación de la materia y es la energía crítica (la energía crítica se puede definir como la energía en la que las tasas de bremsstrahlung y de ionización son iguales. Una estimación aproximada es ). La profundidad de la lluvia aumenta logarítmicamente con la energía, mientras que la extensión lateral de la lluvia se debe principalmente a la dispersión múltiple de los electrones. Hasta el máximo de la ducha, la ducha está contenida en un cilindro con un radio < 1 longitud de radiación. Más allá de ese punto, los electrones se ven cada vez más afectados por la dispersión múltiple, y el tamaño lateral aumenta con el radio de Molière . La propagación de los fotones en la lluvia provoca desviaciones de la escala del radio de Molière. Sin embargo, aproximadamente el 95% de la ducha está contenida lateralmente en un cilindro de radio .
El perfil longitudinal medio de la deposición de energía en cascadas electromagnéticas está razonablemente bien descrito mediante una distribución gamma:
donde , es la energía inicial y y son parámetros que se ajustarán con Monte Carlo o datos experimentales.
Los procesos físicos que provocan la propagación de una lluvia de hadrones son considerablemente diferentes de los procesos de las lluvias electromagnéticas. Aproximadamente la mitad de la energía hadrónica incidente se transmite a secundarios adicionales. El resto se consume en la producción multipartícula de piones lentos y en otros procesos. Los fenómenos que determinan el desarrollo de las lluvias hadrónicas son: la producción de hadrones, la deexcitación nuclear y la desintegración de piones y muones. Los piones neutros representan en promedio 1/3 de los piones producidos y su energía se disipa en forma de lluvias electromagnéticas. Otra característica importante de la lluvia hadrónica es que tarda más en desarrollarse que la electromagnética. Esto se puede ver comparando el número de partículas presentes con la profundidad de las lluvias iniciadas por piones y electrones. El desarrollo longitudinal de las lluvias hadrónicas aumenta con la longitud de interacción nuclear :
El desarrollo de la lluvia lateral no escala con λ. [ cita necesaria ]
Se puede formular un modelo simple para la teoría de la cascada de duchas electrónicas como un conjunto de ecuaciones diferenciales integro-parciales. [2] Sean Π (E,x) dE y Γ(E,x) dE el número de partículas y fotones con energía entre E y E+dE respectivamente (aquí x es la distancia a lo largo del material). De manera similar, sea γ(E,E')dE' la probabilidad por unidad de longitud de trayectoria de que un fotón de energía E produzca un electrón con energía entre E' y E'+dE'. Finalmente, sea π(E,E')dE' la probabilidad por unidad de longitud de trayectoria de que un electrón de energía E emita un fotón con energía entre E' y E'+dE'. El conjunto de ecuaciones integrodiferenciales que gobiernan Π y Γ están dados por
γ y π se encuentran en [3] para energías bajas y en [4] para energías más altas.
Los rayos cósmicos golpean la atmósfera de la Tierra con regularidad y producen lluvias a medida que avanzan a través de la atmósfera. Fue a partir de estas lluvias de aire que se detectaron experimentalmente los primeros muones y piones , y hoy en día se utilizan en numerosos experimentos como medio para observar rayos cósmicos de energía ultra alta . Algunos experimentos, como Fly's Eye , han observado la fluorescencia atmosférica visible producida en la intensidad máxima de la lluvia; otros, como el experimento de Haverah Park , han detectado restos de una lluvia tomando muestras de la energía depositada sobre una gran superficie del suelo.
En los detectores de partículas construidos en aceleradores de partículas de alta energía , un dispositivo llamado calorímetro registra la energía de las partículas haciéndolas producir una lluvia y luego mide la energía depositada como resultado. Muchos detectores modernos grandes tienen un calorímetro electromagnético y un calorímetro hadrónico , cada uno de los cuales está diseñado especialmente para producir ese tipo particular de lluvia y medir la energía del tipo de partícula asociada.
