粒子追踪模型与方法解析
1. 粒子能量损失模型
在粒子物理研究中,粒子在穿过物质时会发生能量损失,主要包括电离能量损失和轫致辐射能量损失。
1.1 电离能量损失
- 平均能量损失 :当重带电粒子穿过物质时,由于物质的电离作用,粒子会损失能量。其平均能量损失由Bethe - Bloch公式给出:
[
\frac{dE}{ds} = -Kz^2\frac{Z\rho}{A\beta^2}\left[\frac{1}{2}\ln\frac{2m_ec^2\beta^2\gamma^2W_{max}}{I^2}-\beta^2 - \frac{\delta}{2}\right]
]
其中,$K$ 是常数,$z$ 是入射粒子的电荷数,$Z$ 和 $A$ 分别是物质的原子序数和原子质量,$\rho$ 是物质的密度,$m_e$ 是电子质量,$W_{max}$ 是单次碰撞中的最大能量转移,$I$ 是平均激发能量,$\delta$ 是密度效应修正。对于质量为 $M$ 的入射粒子,$W_{max}$ 为:
[
W_{max} = \frac{2m_ec^2\beta^2\gamma^2}{1 + 2\gamma m_e/M + (m_e/M)^2}
]
对于电子和正电子等轻粒子,Bethe - Bloch公式需要进行一些修改,其替代表达式为:
[
\frac{dE}{ds} = -K\frac{Z\rho}{A}\left[\ln\frac{2m_ec^2}{I}+ 1.5\ln\gamma - 0.975\right]
]
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