Воздушный душ

Моделирование атмосферного ливня от протона с энергией 1 ТэВ, ударяющего в атмосферу на высоте 20 км.

Воздух душ является душевой кабиной частиц в атмосфере Земли , которые генерируются с помощью высокой энергии фотона или частиц космических лучей . Это «лавина» элементарных частиц и электромагнитного излучения , простирающаяся на многие километры . Первоначальная ( первичная ) частица сначала встречает атом в воздухе, с которым она взаимодействует. В результате этого взаимодействия образуются дополнительные частицы ( вторичные частицы ), которые, в свою очередь, вступают в реакцию с атомами воздуха и генерируют новые частицы. Образование этого каскада возбуждает атомы азота , которые затем излучают энергию возбуждения в виде флуоресцентного света .

Происхождение и свойства воздушного душа

Примерная схема реакции воздушного ливня под действием протона.

Первичная частица может быть протоном , электроном , атомным ядром , фотоном или, реже, позитроном . Каскад частиц состоит преимущественно из электронов, позитронов и фотонов. Электроны и позитроны, генерируемые отклонением в кулоновском поле атомных ядер и тормозным излучением электронных оболочек . Фотон высокой энергии генерирует электрон-позитронную пару посредством образования пар .

Пока энергия электронов и позитронов превышает критическую энергию (примерно 80 МэВ ), количество частиц в воздушном ливне увеличивается. Если средняя энергия электронов и позитронов падает ниже критической энергии, электроны и позитроны в основном теряют энергию из-за ионизации атомов, в результате чего больше не генерируются фотоны высокой энергии: достигается максимум ливня и каскад частиц затухает.

В зависимости от типа и энергии первичной частицы меняется форма ливня, количество образующихся частиц и положение максимума ливня. Если частица с энергией 10 7 ГэВ падает перпендикулярно поверхности Земли, адроны , мюоны и электроны могут быть обнаружены на уровне моря . Они образуют фронт ливня толщиной всего несколько метров, который имеет радиус около 100 м латеральнее исходного направления падения первичной частицы. С другой стороны, атмосферные ливни из первичных частиц с энергией менее 100 ГэВ больше не обнаруживаются непосредственно на уровне моря.

Методы обнаружения

Обнаружить атмосферный ливень можно разными способами:

  • Поля атмосферного ливня: здесь обнаруживаются заряженные частицы и фотоны. Измеряя относительную задержку в различных точках на фронте ливня, можно восстановить направление падения исходной частицы. Измеряя количество частиц, можно определить исходную энергию первичной частицы. Эксперименты с использованием этой техники (примерные): KASCADE-Grande , IceTop, поверхностный детектор от IceCube , обсерватория Пьера Оже , Tunka Grande.
  • Воздушные черенковские детекторы: заряженные частицы во фронте ливня движутся со скоростью, почти равной скорости света в вакууме. Поскольку скорость распространения света в атмосфере Земли примерно на 1/1000 медленнее, чем в вакууме, некоторые частицы движутся со скоростью, превышающей скорость света в воздухе. Это приводит к когерентной поляризации среды на траектории полета, которую можно зарегистрировать как черенковское излучение . Свет выглядит как голубоватая вспышка с продолжительностью в несколько миллиардных долей секунды ( наносекунды ). Эту вспышку нельзя увидеть человеческим глазом, но воздушный черенковский свет можно обнаружить с помощью соответствующего детектора быстрых фотонов. Эксперименты по данной методике (примерные): HESS , Тунка-133 и Тунка-HiSCORE.
  • Телескопы с флуоресцентным светом: атмосферный ливень стимулирует слабую флуоресценцию молекул азота в воздухе, поэтому его профиль можно наблюдать сбоку в темные и ясные ночи. Для этого нужны специальные телескопы, которые очень светочувствительны и имеют высокое временное разрешение. Таким образом, метод сравнительно сложен, но также и сравнительно точен. Эксперименты с использованием этой техники (примерные): Обсерватория Пьера Оже
  • Радиоантенны: электроны и позитроны в атмосферном ливне слегка отклоняются в магнитном поле земли, поэтому излучается радиоизлучение. Этот эффект когерентно усиливается высокой плотностью электронов во фронте ливня. Полученный радиосигнал обнаруживается и может использоваться для наблюдения за атмосферными ливнями. Основное преимущество черенковских и флуоресцентных методов по сравнению с воздушными методами состоит в том, что радиоизмерения можно проводить не только в ясные ночи, но и круглосуточно. Эксперименты с использованием этой техники (примерные): LOPES , LOFAR , Обсерватория Пьера Оже , TREND , Tunka-Rex

Часть космического излучения отвечает за северное сияние (без каскадов, так как энергия ниже).

литература

веб ссылки

  • Обсерватория Пьера Оже Эксперимент по изучению космических лучей с помощью атмосферных ливней
  • COSMUS анимация атмосферных ливней (англ.)