En física de partículas , una lluvia de partículas es una cascada de partículas secundarias que se produce 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; cada una de ellas interactúa, a su vez, de la misma manera, un proceso que continúa hasta que se producen muchos miles, millones o incluso miles de millones de partículas de baja energía. Estas quedan entonces detenidas en la materia y absorbidas. [1]
Existen dos tipos básicos de lluvias de estrellas. Las lluvias de estrellas electromagnéticas son producidas por una partícula que interactúa principalmente o exclusivamente a través de la fuerza electromagnética , normalmente un fotón o un electrón . Las lluvias de estrellas 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 entra en 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 electrón para conservar el momento . 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 distintas de la bremsstrahlung comienzan a dominar. La cantidad característica de materia atravesada para estas interacciones relacionadas se llama longitud de radiación . es tanto la distancia media sobre la cual un electrón de alta energía pierde toda su energía menos 1/e por radiación de frenado como 7/9 del camino libre medio para la producción de pares por un fotón de alta energía. La longitud de la cascada varía con ; la "profundidad de la lluvia" está determinada aproximadamente por la relación
donde es la longitud de radiación de la materia, y es la energía crítica (la energía crítica puede definirse 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 propagación lateral de la lluvia se debe principalmente a la dispersión múltiple de los electrones. Hasta el máximo de la lluvia, la lluvia 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 escala con el radio de Molière . La propagación de los fotones en la lluvia causa desviaciones de la escala del radio de Molière. Sin embargo, aproximadamente el 95% de la lluvia está contenida lateralmente en un cilindro con un radio .
El perfil longitudinal medio de la deposición de energía en cascadas electromagnéticas está razonablemente bien descrito por una distribución gamma:
donde , es la energía inicial y y son parámetros que deben ajustarse con datos de Monte Carlo o experimentales.
Los procesos físicos que provocan la propagación de una lluvia de hadrones son considerablemente diferentes de los procesos que se producen en las lluvias electromagnéticas. Aproximadamente la mitad de la energía hadrónica incidente se transmite a otras energías secundarias. El resto se consume en la producción de múltiples partículas de piones lentos y en otros procesos. Los fenómenos que determinan el desarrollo de las lluvias hadrónicas son: la producción de hadrones, la desexcitación 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 en función de la profundidad de las lluvias iniciadas por piones y electrones. El desarrollo longitudinal de las lluvias hadrónicas varía con la longitud de la interacción nuclear :
El desarrollo de la lluvia lateral no escala con λ. [ cita requerida ]
Un modelo simple para la teoría en cascada de las lluvias electrónicas puede formularse 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 para 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 para que un electrón de energía E emita un fotón con energía entre E' y E'+dE'. El conjunto de ecuaciones integro-diferenciales que gobiernan Π y Γ están dadas por
γ y π se encuentran en [3] para energías bajas y en [4] para energías más altas.
Los rayos cósmicos llegan a la atmósfera terrestre con regularidad y producen lluvias de rayos a medida que avanzan a través de ella. Fue a partir de estas lluvias de rayos 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 ultraalta . Algunos experimentos, como Fly's Eye , han observado la fluorescencia atmosférica visible producida en la intensidad máxima de la lluvia de rayos; otros, como el experimento Haverah Park , han detectado los restos de una lluvia de rayos cósmicos 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 haciendo que produzcan una lluvia de partículas y luego midiendo la energía depositada como resultado. Muchos detectores modernos de gran tamaño tienen tanto un calorímetro electromagnético como un calorímetro hadrónico , cada uno diseñado especialmente para producir ese tipo particular de lluvia de partículas y medir la energía del tipo asociado de partícula.
