מקלחת חלקיקים

מקלחת חלקיקים (Particle Shower) היא תופעה בפיזיקת חלקיקים בה התנגשויות של חלקיקים עם אנרגיות גבוהות יוצרות מטר של חלקיקים אחרים בעלי אנרגיה נמוכה יותר. התהליך נפסק בסופו של דבר כאשר החלקיקים הנוצרים הם בעלי אנרגיה נמוכה מאוד. התגליות ראשונות של מקלחות החלקיקים נצפו כבר משנות ה-20 של המאה ה-20. למקלחת החלקיקים יש שני סוגים: מקלחת אלקטרומגנטית ומקלחת הדרונית.  מקלחת אלקטרומגנטית נוצרת כאשר אלקטרון, פוזיטרון או פוטון בעלי אנרגיה הגבוהה מ-100 MeV עוברים דרך חומר ויוצרים זוג (pair production) של אלקטרון, פוזיטרון או פוטון. בעבור אנרגיות הגבוהות מ-100 MeV חלקיקים אלו מאבדים במהרה אנרגיה בעקבות קרינת בלימה. אלקטרון ופוזיטרון הנעים מהר ועוברים קרוב לגרעין יצברו תאוצה בעקבות הכוח החשמלי שפועל עליהם ממטען הפרוטונים שנמצאים בגרעין האטום. חלקיק טעון שמואץ יוצר קרינה אלקטרומגנטית, בעקבות כך התאוצה יכולה לייצר פוטון שייצר עוד זוגות של אלקטרון ופוזיטרון. החלקיקים השניוניים ממשיכים לייצר זוגות עד שהאנרגיה שלהם פוחתת וקרינת הבלימה נעשית דומיננטית, כלומר הם מגיעים לקצה יצירת הזוגות והמקלחת נפסקת. בחומר העשוי מאטומים שמספרם האטומי גדול מטענם גדול ולכן החלקיק הטעון צובר תאוצה גדולה יותר כך שהמקלחת תתפתח מהר יותר מאשר בחומר שבו המספר האטומי של החלקיקים שמרכיבים אותו נמוך יותר. מקלחת חלקיקים זו נוצרת כתוצאה מהתנגשות בין חלקיקים ובעקבות כך נוצרים חלקיקים האדרונים (חלקיקים שעשויים מקווארקים ואנטי קווארקים המחוברים עם גלואונים). הדרונים יוזמים מקלחות באמצעות אינטראקציות עם הגרעין שלהם . זמן החיים של חלקיקים הדרונים "יציבים" במקלחת נע בדרך כלל בין 0.1 ל-10 ננו שניות, ההדרונים היציבים בדרך כלל דועכים דרך הכוח החלש ובמקרים מסוימים דועכים על ידי כוח אלקטרומגנטי שמקצר את אורך חייהם. לעומת זאת, הדרונים לא יציבים דועכים לאחר כ־10-23 שניות על ידי הכוח החזק. על אף שבהתנגשות הראשונית עם האנרגיה הגבוהה נוצרים חלקיקים יסודיים כמו קווארקים וגלואונים הדבר היחידי בו צופים גלאים הוא סילוני ההדרונים (Hadronic Jets) (=חוקי שימור גורמים לחלקיקים הדרונים שנוצרים לאחר ההתנגשות לנוע ב"סילונים"). למקלחות הדרוניות יש מבנה מורכב ובאופן תאורטי הם לא מובנות טוב כמו מקלחות אלקטרומגנטיות. כדור הארץ מופגז בכל רגע נתון בקרניים קוסמיות, חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה שבאים מהיקום. כאשר החלקיקים הללו פוגעים באטומים שבחלק העליון של האטמוספירה הם יוצרים מקלחות אוויר. במקרים בהם החלקיקים שהתנגשו הם בעלי אנרגיה גבוהה מאוד, החלקיקים שנוצרו מההתנגשות יגיעו אל הקרקע. קרניים קוסמיות הן מקור לחלקיקים אלמנטריים והאנרגיות שלהן גבוהות הרבה יותר ממה שאפשר ליצור במעבדה אך החיסרון הגדול שלהן הוא שעדיין אי אפשר לדעת את הזמן והמיקום בהם יפגעו בכדור הארץ וגם הגלאי שיזהה אותם על אדמת כדור הארץ צריך להיות גדול מאוד כדי לספוג את כל החלקיקים שנוצרו בהתנגשות. במאיצי חלקיקים, מתקן שגורם לחלקיקים לנוע במהירויות גבוהות בעזרת שדות חשמליים ומגנטים, גורמים להתנגשויות בגלאים ובעזרתם מוציאים את המידע על ההתנגשות. בעזרת המדידות הללו אפשר לקבל מידע על החלקיקים שנוצרו אחרי ההתנגשות, בין היתר באמצעות מקלחות שיצרו אותם חלקיקים בגלאי. גלאי במאיץ חלקיקים בנוי מכמה שכבות של גלאים. כל שכבה יוצרת מקלחת חלקיקים שונה או מזהה מאפיין של החלקיקים. יש שלוש שכבות לגלאי: גלאי פנימי – גלאי שמודד את המסלול של חלקיקים טעונים. קלורימטר אלקטרומגנטי – גלאי שיוצר מקלחת אלקטרומגנטית. קלורימטר הדרוני – גלאי שיוצר מקלחת הדרונית. ההדרונים נעים במהירויות הקרובות למהירות האור ולכן בגלל תופעת "התארכות הזמן" (time dilation) הגלאי יכול לתעד את המסלולים שלהם. ספקטרומטר מיואונים – גלאי למיואונים. חלק מהנייטרינו הבאים מרחבי היקום נוצרים כתוצאה מהתנגשות חלקיקים באנרגיה גבוהה כתוצאה מכך יש מקלחת חלקיקים. אפשר למדוד חלקיקי ניוטרינו באמצעות גלאי נייטרינו. מקלחות אוויר ניתן למדוד בגלאי צ'רנקוב חלקיקים טעונים באמצעות גילוי קרינת צ'רנקוב שהם יוצרים. תאוריית המקלחת האלקטרומגנטית התפתחה בשנות השלושים של המאה ה-20. ההתייחסות הקלאסית לנושא היא של ברונו רוסי וקנת' גרייסן (אנ') ‏(1941). פטריק בלקט וג'וזפה אוקיאליני (אנ') השתמשו במשוואות של רוסי בשביל חישובים בתא ערפל. עם המידע והתמונות הם הצליחו לראות קבוצות של חלקיקים שהוכיחו את הנוסחאות והניסויים של רוסי. רוסי התייחס אל אותם החלקיקים שראה בתא הערפל כ"מטר" ולכן הם קראו לתופעה זו "מקלחת". בלקט ואוקיאליני היו הראשונים שחשפו את התהליך של יצירת זוג (pair production) מהניסויים שביצעו, תהליך זה הוא אחד מהגורמים הבסיסיים ליצירת מקלחת אלקטרומגנטית. טכניקות סימולציית מונטה קרלו של מקלחת אלקטרומגנטית פותחו על ידי בוצ'ר (Butcher) והארי מסל (אנ') בשנת 1960. בנוסף, דיאגרמות פיינמן מסבירות אינטראקציות של חלקיקים בין היתר גם במקלחות. פורטל פיזיקה מאיצי חלקיקים גלאי במאיץ חלקיקים קרניים קוסמיות פיזיקת חלקיקים "Extensive Air Showers: High Energy Phenomena and Astrophysical Aspects - A Tutorial, Reference Manual and Data Book"- Peter K. F. Grieder, Springer Science & Business Media, August 2010 “Handbook of Particle Detection and Imaging”-by Claus Grupen and Irène Buvat, Springer Science & Business Media, October 2011. "Electromagnetic Showers and Shower Detectors"-By Venkatesh S Kaushik, Dept of High Energy Physics,University of Texas at Arlington, Aug 9th 2002 REVIEW OF PARTICLE PHYSICS"-ParticleDataGroup",Chinese Physics C Vol.40, No. 10 ,2016 Introduction to Elementary Particles"- David Griffiths, John Wiley & Sons, 26 Sep 2008" Electromagnetic showers: shower theory and Monte Carlo calculations Observational Gamma-Ray Astronomy Deep Mapping of Small Solar System Bodies with Galactic Cosmic Ray Secondary Particle Showers”-Thomas Prettyman, Planetary Science Institute, July 19, 2013" PARTICLE SHOWER SIMULATIONS AND LOSS MEASUREMENTS IN THE LHC MAGNET INTERCONNECTION REGIONS- C. Kurfuerst∗, B. Dehning, E. B. Holzer, A. Nordt, M. Sapinski, CERN, Geneva, Switzerland R. S. Gilmore, Single Particle Detection And Measurement, CRC Press, 1992-09-01. (באנגלית) "Subatomic particle - Charged leptons (electron, muon, tau)". Encyclopedia Britannica (באנגלית). נבדק ב-2018-04-26. Quantum Diaries, www.quantumdiaries.org Calice, Naomi van der Kolk, Detailed studies of hadronic showers and comparison to GEANT4 simulations with data from highly granular calorimeters David Griffiths, Introduction to Elementary Particles, John Wiley & Sons, 2008-09-26. (באנגלית) Luisa Bonolis, From cosmic ray physics to cosmic ray astronomy: Bruno Rossi and the opening of new windows on the universe, 8th of Feb. 2013, עמ' 4 Thomas K. Gaisser, Cosmic Rays and Particle Physics, Cambridge University Press, 1990. (באנגלית)