Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 5, стр. 714-715

Полуклассический подход и модель линейного тока [1, 2] применялись для расчета изменений электромагнитных полей в оптическом диапазоне, формируемых при взаимодействии электронов и гамма-квантов с жидкой, твердой и газовой средой [3–5]. В рамках этого подхода используется пособытийное рассмотрение формирования электромагнитных полей. Применение пакета GEANT [6] позволяет рассчитать траектории и скорости всех свободных заряженных частиц, возникающих в результате взаимодействия первичной и сопровождающих ее вторичных частиц со средой. Далее проводится расчет пространственно-временного распределения компонент электромагнитного поля, создаваемого заряженной частицей и возникающих при ее движении вторичных частиц в среде.

В данной работе полуклассический подход применен к расчету электромагнитных полей, формируемых при прохождении высокоэнергичных позитронов в воздухе. Схема модельного эксперимента аналогична схеме реального эксперимента, выполненного в работе [7], и представлена на рис. 1. В модельном эксперименте в рамках пакета GEANT пучок позитронов с энергией 512 МэВ проходит через метровый слой воздуха. В качестве иллюстрации представлены рассчитанные траекторий движения одиночного позитрона и сопровождающих его электронов (см. рис. 2а–2в, три одиночных позитрона).

Рис. 1.

Схема модельного эксперимента: 1 – пучок позитронов; 2 – входное окно установки; 3 – газовая мишень (цилиндр длиной 1 м); 4 – плоское зеркало; 5 – прозрачное окно; 6 – выходное окно установки; 7 – плоскость расположения детектора (фотопленки), регистрирующего электромагнитное излучение в оптическом диапазоне.

Рис. 2.

Примеры траекторий движения одиночного позитрона и сопровождающих его электронов.

На рис. 3 представлены траектории движения 5 позитронов и сопровождающих их электронов и фотонов на одном рисунке. На пути следования позитрона образуются электрон-ионные пары, вторичные фотоны, которые в свою очередь могут порождать вторичные частицы. Данные, полученные в результате работы программы моделирования, записываются в файл в формате: сорта частиц, скорости, координаты и времена, в которые происходили изменения скорости частицы. Далее проводился расчет электромагнитного поля в пространственно-временном представлении по формулам из работ [1, 2] под случайным образом выбранным углом φ и с шагом 0.05 градуса по углу θ в точке на плоскости детектирования.

Рис. 3.

Пример траекторий движения 5 позитронов и сопровождающих их электронов и фотонов на одном рисунке.

Результат расчета изменения энергии электромагнитного поля в плоскости расположения позиционно-чувствительного детектора (фотопленки), полученное суммирование изменений энергии поля каждой из заряженных частиц, формируемых процессе взаимодействия позитронов с газовой средой, представлен на рис. 4. На рисунке виден пик в угловом распределении изменений энергий, при котором наблюдается максимум в кольцевом распределении. Угол, оцененный по формуле Тамма–Франка равен 1.32^○. Полученный в нашем расчете угол меньше на 0.04^○. Полученное небольшое уменьшение в значении угла, под которым наблюдется максимальное изменение энергии, по сравнению с оценкой угла по формуле Тамма имело место и в расчетах, проведенных в работах [3–5]. Отметим, что расчет выполнен в пространственно-временном представлении в рамках полуклассического подхода.

Рис. 4.

Угловое распределение изменений энергии по результатам 500 разыгранных событий (N в относительных единицах).

Результаты расчетов, проводимых по данной методике, согласуются с экспериментально наблюдаемыми результатами работы [7] и могут быть в последующем использованы при моделировании и конструировании детекторов для экспериментов в физике высоких энергий.

Работа выполнена с использованием оборудования ресурсного центра “Вычислительный центр СПбГУ”.