Моделирование высокоэнергетических электромагнитных ливней в ориентированных кристаллах

  • Виктор Васильевич Тихомиров Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь
  • Виктор Васильевич Гавриловец Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь
  • Александр Сергеевич Лобко Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь
  • Никита Сергеевич Сочивко Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Сергей Леонидович Черкас Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Образующие электромагнитные ливни последовательности процессов излучения гамма-квантов электронами и позитронами и рождения электрон-позитронных пар гамма-квантами играют существенную роль в формировании спектров астрофизических источников жесткого излучения, прохождении космического излучения через атмосферу, а также измерении энергии электронов, позитронов и гамма-квантов электромагнитными кало­ риметрами, используемыми в физике высоких энергий и на орбитальных гамма-телескопах. Обширные теоретические и экспериментальные исследования 1950–80-х гг. показали, что при движении частиц под углами порядка градуса и менее к осям и плоскостям кристаллов процессы рассеяния, излучения и рождения пар демонстрируют когерентную природу и претерпевают качественные изменения. В зависимости от атомного номера вещества кристалла степень когерентного увеличения интенсивности излучения и вероятности рождения пар в нем достигает 10–100 раз при энергиях частиц от десятых долей до единиц тераэлектронвольта, приводя к настолько же масштабному уменьшению эффективной радиационной длины, характеризующей скорость развития ливня. Для моделирования высокоэнергетических электромагнитных ливней в ориентированных кристаллах в статье представлена программа, сочетающая развитые нами и протестированные совместно с исследователями из Университета Феррары и Национального института ядерной физики (INFN) (Италия) в Европейском центре ядерных исследований (CERN) методы описания когерентных процессов рассеяния, излучения и рождения пар в кристаллической решетке при высоких энергиях и малых отклонениях импульсов частиц от главного кристаллического направления с алгоритмами инструментария Geant4 для моделирования аналогичных процессов в приближении аморфной среды при низких энергиях и больших отклонениях импульсов частиц. Программа может быть использована как для проведения надежных расчетов характеристик электромагнитных ливней в кристаллах в настоящее время, так и для внедрения усовершенствованных теоретических подходов в целях повышения точности и производительности расчетов в будущем.

Биографии авторов

Виктор Васильевич Тихомиров, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, профессор; главный научный сотрудник отраслевой лаборатории радиационной безопасности

Виктор Васильевич Гавриловец, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

научный сотрудник отраслевой лаборатории радиационной безопасности

Александр Сергеевич Лобко, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, доцент; заместитель директора по научной работе

Никита Сергеевич Сочивко, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

аспирант кафедры ядерной физики физического факультета. Научный руководитель – А. С. Лобко

Сергей Леонидович Черкас, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математи­ ческих наук; ведущий научный сотрудник лаборатории фундаментальных взаимодействий

Литература

  1. Тер-Микаелян МЛ. Влияние среды на электромагнитные процессы при высоких энергиях. Ереван: Издательство Академии наук Армянской ССР; 1969. 457 с.
  2. Diambrini Palazzi G. High-energy bremsstrahlung and electron pair production in thin crystals. Reviews of Modern Physics. 1968;40(3):611–631. DOI:10.1103/RevModPhys.40.611.
  3. Барышевский ВГ. Каналирование, излучение и реакции в кристаллах при высоких энергиях. Минск: Издательство БГУ имени В. И. Ленина; 1982. 256 с.
  4. Baryshevsky VG, Tikhomirov VV. Synchrotron-type radiation processes in crystals and polarization phenomena accompanying them. Soviet Physics Uspekhi. 1989;32(11):1013–1032. DOI: 10.1070/PU1989v032n11ABEH002778.
  5. Байер ВН, Катков ВМ, Страховенко ВМ. Электромагнитные процессы при высокой энергии в ориентированных монокристаллах. Скринский АН, редактор. Новосибирск: Наука; 1989. 395 с.
  6. Kimball JC, Cue N. Quantum electrodynamics and channeling in crystals. Physics Reports. 1985;125(2):69–101. DOI:10.1016/ 0370-1573(85)90021-3.
  7. Sørensen AH, Uggerhøj E. Channeling and channeling radiation. Nature. 1987;325(6102):311–318. DOI: 10.1038/325311a0.
  8. Baryshevsky VG, Tikhomirov VV. Crystal applications in high energy physics for new phenomena observation and acceleration technology development. Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series. 2017;4:20–32. EDN: YNZIMD.
  9. Bandiera L, Baryshevsky VG, Canale N, Carsi S, Cutini S, Davì F, et al. A highly-compact and ultra-fast homogeneous electromagnetic calorimeter based on oriented lead tungstate crystals. Frontiers in Physics. 2023;11:1254020. DOI:10.3389/fphy.2023.1254020.
  10. Bandiera L, Bagli E, Guidi V, Mazzolari A, Berra A, Lietti D, et al. Broad and intense radiation accompanying multiple vo¬ lume reflection of ultrarelativistic electrons in a bent crystal. Physical Review Letters. 2013;111(25):255502. DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.255502.
  11. Bandiera L, Tikhomirov VV, Romagnoni M, Argiolas N, Bagli E, Ballerini G, et al. Strong reduction of the effective radiation length in an axially oriented scintillator crystal. Physical Review Letters. 2018;121(2):021603. DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.021603.
  12. Soldani M, Bandiera L, Moulson M, Ballerini G, Baryshevsky VG, Bomben L, et al. Strong enhancement of electromagnetic shower development induced by high-energy photons in a thick oriented tungsten crystal. The European Physical Journal C. 2023; 83(1):101. DOI:10.1140/epjc/s10052-023-11247-x.
  13. Soldani M, Alharthi F, Bandiera L, Canale N, Cavoto G, Chaikovska I, et al. Radiation in oriented crystals: innovative application to future positron sources. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A, Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2024;1058:168828. DOI:10.1016/j.nima.2023.168828.
  14. Agostinelli S, Allison J, Amako K, Apostolakis J, Araujo H, Arce P, et al. Geant4 – a simulation toolkit. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A, Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2003;506(3):250–303. DOI:10.1016/S0168-9002(03)01368-8.
  15. Geant4: a simulation toolkit. Physics reference manual [Internet]. Release 11.2, Rev8.0. [S. l.]: Geant4 Collaboration; 2023 De¬ cember 8 [cited 2024 February 20]. XII, 454 p. Available from: https://geant4-userdoc.web.cern.ch/UsersGuides/PhysicsReferenceMa¬ nual/fo/PhysicsReferenceManual.pdf.
  16. Møller SP, Sørensen AH, Uggerhøj E, Elsener K. Can a crystalline detector be used in very high energy gamma ray astronomy? Geneva: European Organization for Nuclear Research; 1989 November 14. 14 p. Report No.: CERN-EP-89-149.
  17. Baryshevsky VG, Haurylavets VV, Korjik MV, Lobko AS, Mechinsky VA, Sytov AI, et al. On the influence of crystal structure on the electromagnetic shower development in the lead tungstate crystals. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section B, Beam Interactions with Materials and Atoms. 2017;402:35–39. DOI:10.1016/j.nimb.2017.02.066.
  18. Guidi V, Bandiera L, Tikhomirov VV. Radiation generated by single and multiple volume reflection of ultrarelativistic electrons and positrons in bent crystals. Physical Review A. 2012;86(4):042903. DOI:10.1103/PhysRevA.86.042903.
  19. Jackson JD. Classical electrodynamics. 3rd edition. [S. l.]: John Wiley & Sons; 1999. XXII, 811 p.
  20. Perkins ST, Cullen DE, Seltzer SM. Tables and graphs of electron-interaction cross sections from 10 eV to 100 GeV derived from the LLNL Evaluated Electron Data Library (EEDL), Z = 1–100. Livermore: Lawrence Livermore National Laboratory; 1991. XVI, 485 p. (UCRL-50400 series; volume 31).
  21. Geant4: a simulation toolkit. Physics reference manual [Internet]. Version Geant4 9.6.0. [S. l.]: [s. n.]; 2012 November 30 [ci¬ ted 2024 February 20]. 572 p. Available from: https://geant4-userdoc.web.cern.ch/UsersGuides/PhysicsReferenceManual/BackupVersions/V9.6/fo/PhysicsReferenceManual.pdf.
  22. Hubbell JH, Gimm HA, Øverbø I. Pair, triplet, and total atomic cross sections (and mass attenuation coefficients) for 1 MeV – 100 GeV photons in elements Z = 1 to 100. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 1980;9(4):1023–1148. DOI: 10.1063/1.555629.
  23. Гайтлер В. Квантовая теория излучения. Боголюбов НН, редактор. Москва: Издательство иностранной литературы; 1956. 491 с.
  24. Dadoun O, Le Meur G, Touze F, Variola A, Artru X, Chehab R, et al. An event generator for crystal source. Application of the CLIC positron baseline. Journal of Physics: Conference Series. 2012;357:012024. DOI:10.1088/1742-6596/357/1/012024.
  25. Tikhomirov VV. Simulation of multi-GeV electron energy losses in crystals. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section B, Beam Interactions with Materials and Atoms. 1989;36(3):282–285. DOI:10.1016/0168-583X(89)90670-8.
  26. Artru X. A simulation code for channeling radiation by ultrarelativistic electrons or positrons. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section B, Beam Interactions with Materials and Atoms. 1990;48(1–4):278–282. DOI:10.1016/0168-583X(90) 90122-B.
  27. Sytov AI, Tikhomirov VV, Bandiera L. Simulation code for modeling of coherent effects of radiation generation in oriented crystals. Physical Review Accelerators and Beams. 2019;22(6):064601. DOI:10.1103/PhysRevAccelBeams.22.064601.
Опубликован
2024-09-30
Ключевые слова: электроны, позитроны, гамма-кванты, релятивистские частицы, излучение, рождение пар, моделирование, электромагнитные ливни, электромагнитные каскады
Поддерживающие организации Работа выполнена при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (проект Ф22МЦ-006 «Разработка средств моделирования процессов излучения гаммаквантов электронами и позитронами, образования электрон-позитронных пар гамма-квантами высоких энергий и каскадных последовательностей этих процессов в ориентированных кристаллах и их приложений в физике высоких энергий»).
Как цитировать
Тихомиров, В. В., Гавриловец, В. В., Лобко, А. С., Сочивко, Н. С., & Черкас, С. Л. (2024). Моделирование высокоэнергетических электромагнитных ливней в ориентированных кристаллах. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 3, 50-61. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/6615
Выпуск
№ 3 (2024): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика ядра и элементарных частиц

Copyright (c) 2024 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).